ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Взаимодействие излучения с веществом и процессы, происходящие в металлах и сплавах, представляют значительный научный и практический интерес и интенсивно исследуются.
Применение ионного облучения, имеющего среди своих достоинств такие, как дешевизна и скорость набора заданной дозы, отсутствие наведенной активности, хорошая контролируемость параметров излучения, позволяет эффективно решать технологические проблемы и накапливать экспериментальный материал для исследования материаловедческих проблем.
Кроме того, использование пучков ускоренных ионов является одним из перспективных направлений в области создания новых технологий обработки материалов. Существует большое число примеров благоприятного воздействия ионной имплантации на прочностные, трибологические, электрические, магнитные, и другие свойства различных веществ.
Тем не менее, в области радиационного воздействия на материалы многие экспериментально обнаруженные и достоверно подтвержденные явления длительное время не находят удовлетворительного объяснения в рамках существующих моделей. К таким явлениям относится возникновение ранее обнаруженных особых радиационно-индуцированных неравновесных состояний (R-состояний) в облученных металлических материалах.
R-состояния появляются в узком интервале радиационных параметров (доз, температур мишени и плотностей ионного потока) и сопровождаются сильным изменением структуры и свойств материалов, которые отличны как от исходного состояния, так и от состояний в остальном радиационном поле. Образование таких состояний наблюдалось в различных металлических материалах весьма широкого круга, различной структуры и морфологии, в частности, в твердых растворах и промышленных сплавах систем Fe-Ni, Fe-Cr-Ni, Ni-Cr, Cu-Ni, Fe-Cr, чистых металлах - Zr, а также некоторых интерметаллидах (сплавах Гейслера Cu
2MnAl и Fe
2MnGa).
Дальнейшие исследования показали, что в области существования таких состояний формируются нанокластерные структуры, в которых матрица пронизана множеством мелких кластеров, занимающих значительную часть объема. Предполагается, что данные кластеры, состоящие из тех же атомов, что и матрица, имеют другую кристаллическую симметрию. Например, в ГЦК материалах образуются, по-видимому, кластеры икосаэдрической (пятерной) симметрии. Трансформация решетки внутри кластеров сопровождается упругими искажениями в окружающей матрице, что приводит к существенным изменениям рентгеновской дифрактограммы или изменению формы рентгеновских линий.
Оба этих явления – формирование нанокластеров и изменение дифракционной картины являются тестовыми признаками возникновения R-состояний и могут служить для их идентификации, а также для определения интервала радиационных параметров, в котором эти состояния возникают.
Формирование R-состояний сопровождается существенным изменением свойств материалов (механических, физических, в том числе и магнитных) и может быть весьма важным в технологии радиационного модифицирования. Поэтому исследование условий формирования особых структурных R-состояний является весьма актуальным.
Основной целью работы было изучение связи морфологии и микроструктуры металлических материалов с процессами формирования радиационно-индуцированных (R) состояний.
Объектами исследований являлись металлические материалы с различной морфологией – дисперсионно твердеющие сложнолегированные сплавы на основе никеля (Ni-15Cr-10Fe-2Ti-3Al-3Mo) с ГЦК структурой, технический титан (ГПУ кристаллическая решетка), сплавы на основе ванадия (V-4Ti-4Cr, V-10Ti-5Cr и V-5Fe) с ОЦК структурой.
Научная новизна полученных в работе результатов заключена в следующем:
– впервые показано, что для формирования особого R-состояния в металлах необходимо наличие упругого дальнодействия, характер которого зависит от морфологии материалов;
– экспериментально показано, что возникновение радиационно-индуцированных R-состояний зависит от микроструктуры дисперсионно-твердеющих сплавов и плотности границ зерен в поликристаллах;
– впервые показаны условия формирования R-состояния в двух различных системах ванадиевых сплавов (V-Ti-Cr и V-Fe) в зависимости от состава.
Практическая ценность работы. Все исследованные материалы широко используются в современной технологической практике; результаты могут быть использованы:
– для развития пучковых технологий модифицирования металлов и сплавов;
– для разработки моделей радиационного поведения конструкционных сплавов АЭС.
Достоверность положений и выводов диссертационной работы подтверждается использованием широкого набора экспериментальных методов исследования материалов – рентгеноструктурный анализ, измерение микротвёрдости, металлографический анализ, электронная микроскопия, измерение термоэлектродвижущей силы.
Положения и выводы диссертации находятся в соответствии с современными представлениями физики конденсированного состояния.
Личный вклад автора. Автор лично участвовала в постановке задач исследования, планировании и проведении экспериментов, обработке полученных данных, обсуждении результатов.
Автором лично были исследованы структуры и свойства сплавов на основе ванадия, сложнолегированных сплавах на основе никеля, титановом сплаве после ионного облучения.
Основные результаты, выносимые на защиту:– связь возникновения R-состояния с исходной микроструктурой облучаемых сплавов;
– влияние выделений второй фазы в результате распада твердого раствора на образование R-состояния в никелевых сплавах;
– связь плотности границ зерен с температурой формирования R-состояния в поликристаллическом титане;
– условия формирования R-состояния в ванадиевых сплавах (V-Ti-Cr и V-Fe) в зависимости от состава.
Апробация работы:Полученные результаты были представлены на следующих Российских и международных конференциях и семинарах: Международная молодежная научная конференция «Полярное сияние», Санкт – Петербург, 2006, 2008; Международный научный семинар «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» Обнинск. 2007, 2009; 2-ая Теренинская научно-практическая конференция «Взаимодействие света с веществом», Калуга, 2006; отраслевой семинар «Физика радиационных повреждений материалов атомной техники», Обнинск, 2006; Всероссийская научная конференция молодых ученых и специалистов «Материалы ядерной техники – от фундаментальных исследований к инновационным решениям (МАЯТ – ОФИЭ)», Туапсе, 2006; Научная сессия МИФИ, Москва, 2009.
Публикации. Основные результаты работы отражены в 3 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, и 7 тезисах Международных и Всероссийских конференций. Список работ приведён в конце автореферата.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов. Общий объём работы составляет 119 страниц, в том числе 6 таблиц, 39 рисунков и список использованных источников из 110 наименований.
Основное содержание работыВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, научная и практическая значимость, научная новизна, перечислены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен обзор и анализ литературных данных по теме диссертации.
В п 1.1
говорится о природе формирования, термодинамике и кинетике особых неравновесных радиационно-индуцированных превращений, возникающих в узком интервале радиационных параметров в модельных сплавах, промышленных материалах с различными типами кристаллической решетки, а также в некоторых интерметаллидах при облучении интенсивными ионными пучками с применением различных типов ионов. Отличительной чертой радиационно-индуцированных превращений является их нанокластерная структура. Одновременно с образованием нанокластерной структуры в материале возникают изменения в рентгеновской дифракции. Данные дифракционные эффекты закономерно изменяются при варьировании параметров облучения и исчезают при пострадиационном отжиге (при температуре, не превышающей температуру облучения), что говорит о неравновесности данного превращения. Многочисленные эксперименты, выполненные для различных материалов, показали, что эффекты образования нанокластерной морфологии облученных материалов и описанные изменения дифракционной картины во всех случаях сопутствуют друг другу, поэтому методически более удобный дифракционный эффект может служить признаком формирования радиационно-индуцированного состояния. Дифракционным изменениям сопутствуют также аномально сильные изменения свойств материала. Значения микротвердости в области особого состояния очень велики и не могут быть истолкованы с помощью какого-либо дислокационного механизма. Предположили, что наблюдаемое упрочнение есть результат изменений в электронной подсистеме металла, изменения состояния металлической связи. В качестве объяснения возникновения нанокластерной структуры и сопутствующих ей изменений дифракционной картины была предложена следующая модель. В данном состоянии образуется структура нанокластерного композита, где исходная матрица армирована малыми кластерами, состоящими из тех же атомов, что и матрица, однако обладающими отличной от матрицы симметрией. Очевидно, что в случае материалов с разной кристаллической решеткой, это будут кластеры разной симметрии.
В п. 1.2 рассматриваются фазовые превращения в сложнолегированных никелевых сплавах. Сложнолегированные никелевые сплавы представляют интерес как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения их практического применения в различных областях техники. К таким сплавам относится сложнолегированный никелевый четверной сплав Ni-Cr-Ti-Al (нимоник). После закалки с 1050-1150
0С этот сплав находится в состоянии твердого γ – раствора c гранецентрированной кубической решеткой (а=0,357 нм). Нагрев такого закаленного (пересыщенного) твердого раствора приводит к его распаду, происходящему в несколько стадий.
Прежде всего, внутри твердого раствора происходит перераспределение атомов алюминия и титана, приводящее к локальному обогащению этими элементами. Этот процесс наблюдается не только при низких температурах отпуска, но даже в процессе закалочного охлаждения.
Следующая стадия заключается в формировании в областях, где повысилась концентрация атомов алюминия и титана, второй фазы. При развитии старения можно рентгенографически определить наличие двух фаз с одинаковой кристаллической ГЦК решеткой, но несколько отличающихся друг от друга параметрами (0,358 и 0,360 нм). Фаза, обедненная алюминием и титаном – не что иное, как γ – фаза (исходный твердый раствор), а обогащенная (выделившаяся) – γ’-фаза.
Приведены результаты облучения образцов сплава нихром (ХН60В) и стареющего сплава на той же основе (Х10Н75ВМЮ) ионами Ar
+ (40 кэВ, 5∙10
18 ион/см
2). В обоих случаях сравнение дало качественно сходные результаты — стоки, введенные в образец перед облучением, подавляют радиационно-индуцированное превращение – сдвигают его в область больших доз, уменьшают размер новообразований или снижают различие в периодах решетки разных участков твердого раствора. При одинаковых параметрах облучения в сплавах — нихроме и нимонике — наблюдается эффект расщепления рентгеновских линий, однако различие в периодах решетки (угловое расстояние между пиками) существенно меньше в нимонике, где присутствуют выделения второй фазы.
В некоторых случаях наблюдается не расщепление пиков, а изменение их формы – линия приобретает характерную треугольную форму. Можно предположить, что изменение есть результат
суперпозиции селективного дифракционного пика и плавного диффузного максимума. По-видимому, этот эффект близок к эффекту расщепления линий.
Пункт 1.3 посвящен обзору экспериментальных работ по влиянию ионного облучения (Al
+, C
+, N
+, Si
+, Ar
+, D
2+, W
+ и Mo
+) на структуру и свойства титана и его сплавов.
Титан и его сплавы в настоящее время широко используются в машиностроении, химической промышленности, авиакосмической технике, благодаря его особым свойствам, таким как жаропрочность, коррозионностойкость, низкая плотность, высокая удельная прочность. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Также титан и сплавы на его основе широко применяются в медицине в качестве имплантантов и других изделий.
При облучении титанового сплава (Ti-2,2Al-0,6Mn) ионами Si
+ и Ar
+ (энергия ионов 40 кэВ, плотность тока 10 мкА/см
2, доза 10
15 – 5·10
16 ион/см
2) было показано, что микротвердость образцов, облученных как ионами кремния, так и ионами аргона, увеличивается на 10-30 % по сравнению с исходным значением, причем максимальные значения достигались при максимальной дозе облучения 10
16 ион/см
2. Предполагают, что это связано с интенсивным образованием радиационных дефектов, особенно при облучении тяжелыми ионами Ar
+, и, как следствие, возникновением энергетического барьера, закрепляющего дислокации. В случае облучения ионами Si
+ упрочнение сплава может происходить за счет образования соединений кремния с титаном. В испытаниях на усталостную прочность было показано, что максимальное ее увеличение происходит при дозе 10
16 ион/см
2, так же, как и увеличение микротвердости.
При облучении образцов поликристаллических пленок титана ионами D
2+ (с энергией 20 кэВ, плотность тока 3 мкА/см
2, дозы облучения 1∙10
16-5∙10
18 ион/см
2) при 110 К и 350 К было показано, что при имплантации дейтерия в титан происходят структурные изменения в поверхностном слое. Структурный переход происходит, по-видимому, из-за образования гидрида титана ТiD
2 (ГПУ-решетка α-Ti преобразуется в ГЦК-решетку ТiD
2).
В пункте 1.4 литературного обзора, рассказывается о влиянии облучения на сплавы на основе ванадия.
Сплавы на основе ванадия, особенно сплавы системы V-Ti-Cr, в настоящее время представляют практический интерес как материалы, перспективные для применения в качестве первой стенки и бланкета в будущем термоядерном реакторе, а также в качестве конструкционных материалов для ядерных реакторов. Сплавы ванадия по сравнению со сталями обладают лучшей жаропрочностью, мало активируются, относительно мало распухают при облучении (исключением является система V-Fe), не подвержены высокотемпературному радиационному охрупчиванию при малых накоплениях гелия, обладают отличной термостойкостью, большой механической прочностью, хорошей коррозионной стойкостью в жидком литии.
Однако природа взаимодействия этих сплавов с излучением не может считаться вполне выясненной. Так, например, сплавы систем V-Ti-Cr и V-Fe показывают различное поведение в радиационном поле: если первые после облучения в реакторе имеют незначительное вакансионное распухание (доли процента), то в сплавах системы V-Fe оно достигает значительных величин в десятки процентов.
Теоретические и экспериментальные данные по эффекту дальнодействия при ионном облучении представлены в пункте 1.5.
Дальнодействие - это эффект глубокого и сверхглубокого проникновения радиационных повреждений в материал при ионном облучении, значительно превосходящего расчетные глубины пробега ионов. Благодаря наличию эффекта дальнодействия, имеется возможность изучать радиационно-индуцированное состояние материала методами рентгеновской дифракции, металлографии и измерения микротвёрдости.
