РАЗДЕЛ 2
КИНЕТИКА АМОРФИЗАЦИИ ПОД ЭЛЕКТРОННЫМ ОБЛУЧЕНИЕМ
2.1. Введение к разделу 2
Электронное облучение может менять кинетику фазовых превращений в твердых телах
не только благодаря ускорению диффузии вследствие рождения френкелевских пар,
но и благодаря активационным процессам на границе раздела фаз. В настоящем
разделе диссертации описывается новая модель фазовых превращений под действием
электронного облучения, сформулированная в работах Бакая, Борисенко и Расселла
83, 84. Она применяется для описания аморфизации интерметаллида Zr3Fe,
поскольку этот процесс исследовался экспериментально и некоторые полученные
данные не находили объяснения в рамках существующих теоретических моделей.
В модели Отты и Оландера 85 рассчитан вклад точечных дефектов и композиционного
разупорядочения в свободную энергию упорядочивающегося кристалла. Авторы
принимали в качестве необходимого условия аморфизации следующий критерий:
. (2.1)
Здесь – усредненная свободная энергия облученного кристалла, – свободная
энергия аморфной фазы. Авторы 86 рассчитали временную кинетику накопления
точечных дефектов и химического разупорядочения в упорядочивающемся
интерметаллиде Zr(Cr, Fe)2 и нашли, с использованием критерия (2.1), что
аморфизация должна происходить при наступлении полного композиционного
разупорядочения и при концентрации вакансий около 0.009 на атом. Этот результат
не подтверждается рядом исследований, в которых наблюдался частичный
композиционный порядок в аморфных сплавах типа металл-металл 87, 88.
В настоящем разделе изложена альтернативная модель аморфизации под электронным
облучением. Предполагается, что зародыши аморфной фазы возникают вследствие
накопления радиационных повреждений в областях, которые могут включать
комплексы точечных дефектов, сектор ядра дислокации, границу, тройной стык или
другие структурные дефекты, которые локально существенно повышают свободную
энергию. Рост аморфной фазы контролируется диффузией и релаксацией возбужденных
электронным облучением неравновесных состояний структурных элементов на границе
кристалл-аморфная фаза (К-А). Согласно наблюдениям ионно-полевой микроскопии,
граница К-А имеет толщину, сравнимую с межатомными расстояниями 89. Электроны,
рассеиваясь на граничном слое, возбуждают и переводят в неравновесное состояние
группы атомов. Возбужденные конфигурации атомов релаксируют, переходя в
аморфное или кристаллическое состояние. В Разделе 2.6 рассмотрена элементарная
феноменологическая модель, поясняющая природу вероятностей релаксации
возбужденных атомных конфигураций в ту или иную фазу. Таким образом, в рамках
данной модели, аморфная фаза может расти даже в областях, где критерий (2.1) не
выполняется, если процесс радиационно-стимулированной диффузии идет быстрее,
чем обратный процесс релаксации в кристаллическое состояние, обладающее меньшей
свободной энергией. Упругие напряжения, возникающие в процессе роста аморфного
выделения, релаксируются потоком вакансий на межфазную границу и образованием
дислокационных петель.
В рамках разработанной модели рассчитан критический поток электронов для
аморфизации при фиксированной температуре. Также рассчитана необходимая доза до
аморфизации в зависимости от величины потока электронов и температуры в рамках
теории фазовых превращений Колмогорова-Аврами (см. напр. 90).
Проведено сравнение теории с экспериментальными данными по аморфизации
интерметаллида Zr3Fe под электронным облучением 91.
2.2. Модель движения межфазной границы
Наблюдения с помощью ионно-полевой микроскопии 92 показывают, что К-А граница
является узкой, с шириной порядка нескольких межатомных расстояний. В рамках
данной модели предполагается, что атомы или группы атомов вблизи межфазной
границы путем коллективных перестроек со средним смещением (где а – межатомное
расстояние) могут переходить в другую фазу, обеспечивая движение межфазной
границы на данном участке.
В скорость роста (растворения) выделения аморфной фазы радиуса вносят вклады
как облучение, так и термодинамическая движущая сила. Обозначим эти вклады
через и соответственно:
. (2.2)
Скорость роста выделения аморфной фазы под действием термодинамической движущей
силы имеет вид (см. напр. 93):
(2.3)
где r – размер группы атомов, участвующей в элементарном акте перестройки
межфазной границы (порядка нескольких межатомных расстояний); и – значения
потенциальной энергии этой группы в минимумах потенциального рельефа,
соответствующих кристаллическому и аморфному состояниям соответственно; –
конфигурационная (при ) энтропия этой группы в аморфном состоянии; ; –
коэффициент диффузии на межфазной границе.
Из (2.3) видно, что скорость роста выделения аморфной фазы под действием
термодинамической движущей силы положительна, когда . Когда , величина
отрицательна, но полная скорость роста (2.2) может быть положительна из-за
вклада (см. (2.5) ниже). Необходимо принимать во внимание, что К-А граница
является стоком точечных дефектов. Поэтому приграничные слои кристаллической
фазы свободны от точечных дефектов. Можно также ожидать, что в
упорядочивающемся сплаве химический порядок в этих слоях выше, чем в объеме
кристалла, вдали от стоков точечных дефектов. Поэтому следует считать, что и .
Особенности повреждений, вызванных электронным облучением в окрестности К-А
границы, несколько отличаются от таковых в объеме кристалла или аморфной фазы.
В объеме твердого тела электроны рождают стабильные или нестабильные пары
Френкеля. Пороговая энергия образования пар Френкеля в металлах обычно
составляет около 30 эВ. В приграничном слое облучение порождает различные
нестаби
- Київ+380960830922