Микроскопическая теория радиационно-стимулированных процессов в твердых телах

• Автор: Рязанов, Александр Иванович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 88 с. : ил.; 20х15 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Современные атомные и будущие термоядерные реакторы требуют создания новых радиационно-стойких конструкционных материалов, способных выдерживать достаточно большие потоки быстрых нейтронов в атомных реакторах (до 3 1023 н/см2 с энергией Е < 0,1 МеВ), а в термоядерных реакторах существенно воздействие 14 МэВ нейтронов, которые создают более высокие уровни радиационных повреждений. Работоспособность конструкционных материалов существенно ограничивается рядом физических явлений: радиационное распухание, радиационное охрупчивание и ползучесть, которые приводят к существенной деградации физико-механических свойств. Для понимания этих явлений необходимо исследование основных физических механизмов изменения дефектной структуры материалов под облучением.
Подобные исследования базируются на анализе основных микроскопических процессов в материалах, которые ведут к образованию и росту кластеров дефектов под облучением, движению дислокаций, локальному изменению фазового состава в облучаемых материалах и т.д. Ряд явлений при этом имеет общефизический интерес для современной физики твердого тела, которые проявляются только в результате действия облучения.
В первую очередь это относится к образованию сверхструктур из кластеров: решеток вакансионных пор, линейных структур из стенок выделений и т.д.
Подобные метастабильные сверхструктуры приводят к качественно новым физическим свойствам этих материалов. На основе этих явлений существует возможность, например, создавать новые классы перспективных полупроводниковых материалов с принципиально новыми элек-тро-физическими свойствами, а также материалы способные отражать мягкое рентгеновское излучение.
Качественно новые явления возникают при облучении аморфных материалов быстрыми тяжелыми ионами. В первую очередь к ним относится анизотропный рост аморфных сплавов под действием тяжело-илнного облучения. Разработка новых термостойких аморфных сплавов бует понимания основных микроскопических процессов кристаллизуй в многокомпонентных аморфных системах. Поэтому как для раз-'отки радиационно-стойких конструкционных материалов для атом-х и термоядерных реакторов, так и для создания новых перспективах материалов с новыми физическими свойствами крайне актуально 7'имание основных микроскопических радиационно-стимулирован-- " Процессов в твердых телах.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью настоящей работы является разработка новых теоретических моделей, которые позволяют объяснить процессы, происходящие в твердых телах под облучением. Предметом исследований является фазовые переходы первого рода в многокомпонентных системах. Изучение кинетики эволюции ансамблей кластеров дефектов (вакансионных и газовых пор) в деформированных и недеформирован-ных материалах. Выяснение микроскопических процессов пластической деформации материалов под облучением, а такие образования сверхструктур в виде решеток пор и выделений. Особое внимание обращено на исследование пластического течения аморфных материалов под действием тяжелоионного облучения.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. 1. Разработан новый подход к анализу фазовых переходов первого рода в многокомпонентных системах. На основе разработанного метода исследована кинетика зарождения газовых пор в кристаллических и аморфных материалах, а также изучена термическая стабильность двухкомпонентных аморфных сплавов.
2. Исследована кинетика эволюции ансамбля кластеров дефектов (вакансионных пор, дислокационных петель) в реальных облучаемых материалов при больших временах облучения. Впервые проведено сопоставление результатов теории для кинетики роста пор с результатами экспериментов по облучению стали в высоковольтном электронном микроскопе с энергией Е — 1 МэВ. Проанализировано влияние структурных особенностей поверхности пор на поглощение точечных дефектов и кинетику их коалесценции пор.
3. Разработан новый метод исследования кинетики коагуляции газовых пор в облучаемых материалах. Метод позволяет находить функции распределения сталкивающихся пор в пространстве размеров и во времени как в результате Броуновского, так и направленного движения пор действием внешних сил. На основе этого возможен анализ изменения во времени моментов функции распределения пор (плотности и среднего размеров пор.) в зависимости от условий облучения.
4. Впервые проведен анализ кинетики роста газовых пор в объеме материала, на границах зерен и в тройных стыках в свободных и деформированных материалах. Предложен новый механизм кинетики роста газовых пор на границах зерен и в тройных стыках в деформированных материалах, который основан на выметании газовых пор движущимися дислокациями в процессе зернограничного проскальзывания.
5. Впервые проведен анализ кинетики захвата точечных дефектов движущимися дислокациями с учетом микроскопических процессов, происходящих в ядрах дислокаций.

Сопоставление микроструктурных данных с экспериментальными до-зовыми зависимостями радиационной ползучести позволяет считать, что для теоретического описания переходной стадии радиационной ползучести необходимо рассматривать движение линейных дислокаций и рост дислокационных петель, для описания установившейся стадии — развитие сетки линейных дислокаций и, наконец, на стадии ускоренной ползучести необходимо учитывать влияние пор на подвижность дислокаций.
Важное значение для понимания механизмов движения дислокаций в условиях облучения имеет зависимость типа развивающейся дислокационной структуры от приложенной нагрузки. В отличие от случая тепловой ползучести, вызываемой в значительной мере консервативным движением дислокаций (скольжением, лимитированным термо-флюктуационным преодолением стопоров), облучение создает пересыщения точечных дефектов, что позволяет дислокациям двигаться неконсервативно. В результате радиационная компонента ползучести будет определяться либо переползанием дислокаций, либо скольжением, лимитированным переползанием через стопоры. Как показывают эксперименты, при напряжениях сг< 100—300 МПа скорость ползучести
линейно зависит от напряжения, а микроструктура характеризуется
системой дислокаций и дислокационных петель, тогда как при больших напряжениях, когда зависимость скорости ползучести от напряжения существенно нелинейная, более характерна ячеистая структура. Эти результаты свидетельствуют о том, что при сравнительно небольшом внешнем напряжении основным способом движения дислокаций, по крайней мере на переходной и установившейся стадиях, является переползание. А при большом напряжении наряду с переползанием необходимо учитывать процессы скольжения дислокаций, поскольку при таком напряжении переползание дислокаций через препятствия существенно облегчается и характер наблюдаемой в этом случае дислокационной структуры имеет много общего со структурой, характерной для тепловой ползучести, при которой скольжение дислокаций играет существенную роль [34 ].
Вопрос о соотношении вкладов переползания и лимитированного переползанием скольжения дислокаций в скорость радиационной ползучести при высоких напряжениях требует отдельного исследования. Здесь же ограничимся рассмотрением радиационной ползучести, вызванной процессами переползания дислокаций. Пусть в материале имеется К ориентаций линейных дислокаций, причем к-я ориентация