ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение............................................................... 4
1. Эволюции дефектной структуры и особенности диффузионных
процессов при энергетических воздействиях на металлические
материалы (литературный обзор)........................................ 15
1.1. Изменение структурного состояния и элементного состава металлических материалов при радиационных воздействиях............ 15
1.2. Основные модели и предполагаемые механизмы усиления переноса атомов в металлах и сплавах при ионной имплантации................ 20
1.3. Процессы массоперсноса при облучении металлических материалов мощными импульсными пучками заряженных частиц..................... 33
1.4. Влияние скорости пластической деформации на диффузионную подвижность атомов................................................ 38
1.5. Особенности переноса вещества в металлах и сплавах при многократных импульсных нагружениях............................... 47
1.6. Диффузионные процессы при нагревании твердых тел с различной плотностью протяженных дефектов структуры......................... 50
1.7. Постановка задач исследования.................................... 53
2. Усиленный массоперенос при облучении металлических
материалов в режиме ионной имплантации................................ 55
2.1. Массоперенос в структурно-неоднородных материалах................ 55
2.1.1. Радиационно-стимулированная диффузия...................... 55
2.1.2. Перенос вещества в поликристаллических материалах......... 58
2.1.3. Учет взаимодействия примеси с протяженным структурным
дефектом......................................................... 62
2.2. Потенциал взаимодействия примесных атомов с полигональной стенкой краевых дислокаций........................................ 64
2.3. Математическая модель зернограничной диффузии.................... 69
3
2.4. Моделирование переноса вещества в результате межзеренной диффузии и анализ полученных результатов.......................... 74
2.5. Математическая модель диффузии примесных атомов по мигрирующим границам зерен........................................ 77
2.6. Результаты моделирования концентрационных профилей имплантированной примеси и сопоставление с экспериментом 80
2.7. Выводы.......................................................... 88
3. Перераспределение атомов при мощных импульсных воздействиях
ионными пучками на металлические системы............................. 89
3.1. Основные факторы, влияющие на микроструктуру металлических материалов при мощных импульсных воздействиях пучками заряженных частиц..................................................... 89
3.2. Уравнение диффузии, учитывающее термо- и бародиффузионные потоки............................................................ 90
3.3. Расчет генерируемых облучением пространственно-временных полей температуры и напряжения.......................................... 93
3.4. Результаты моделирования концентрационных профилей и их анализ. 98
3.5. Вклад диффузии по мигрирующим протяженным дефектам в формирование концентрационного профиля........................... 101
3.6. Результаты моделирования перераспределения атомов в процессе облучения и сравнение с экспериментом............................ 105
3.7. Перенос вещества в металлических материалах при многократных импульсных воздействиях мощным ионным пучком..................... 107
3.8. Моделирование диффузионных процессов в металлах при высокоскоросных импульсных механических воздействиях............. 109
3.9. Массоперенос в поле ударных волн............................... 113
3.10. Выводы........................................................ 119
Заключение.......................................................... 121
Список литературы................................................... 124
Приложение.......................................................... 142
ВВЕДЕНИЕ
4
Получение материалов с улучшенными физико-механическими свойствами является важной проблемой машиностроения, энергетики, химической промышленности и ряда областей современной техники. Во многих случаях повышение долговечности и надежности различных деталей и инструмента может быть достигнуто путем изменения химического состава и структуры лишь поверхностного слоя. Для модификации поверхности в настоящее время широко применяется радиационная обработка материалов. Хорошо себя зарекомендовала ионная имплантация, позволяющая внедрить в приповерхностную область мишени практически любой элемент в контролируемых дозах. Также наряду с непрерывным облучением материалов ионными пучками (имплантацией) (плотность тока у =0,5-50 мкА/см2) используются импульсные пучки, с помощью которых можно проводить высокоинтенсивное облучение (в интервале ~ 102 - 106 мкА/см2, а в случае
о л
мощных ионных пучков до 2-10 мкА/см ). Принципиальной, по сравнению с ионной имплантацией, особенностью воздействия мощных импульсных ионных пучков является наличие порождаемых высокими градиентами температур термоупругих напряжений, а в случае высокоинтенсивных - еще и ударных волн, генерируемых импульсом отдачи при разлете паров испаряющегося слоя.
Несмотря на накопленный к настоящему времени достаточно обширный экспериментальный и теоретический материал, возможности радиационной обработки в полной мере еще не исчерпаны, что связано, в частности, с недостаточным пониманием процессов, протекающих в твердом теле в условиях облучения. К числу наименее понятных явлений, наблюдаемых при воздействии на поверхность металлов и сплавов ионными пучками, относится явление аномально глубоких (по сравнению с длиной пробега внедряемых | частиц) модификаций физико-химических и механических свойств облучаемых материалов, сопровождающихся значительными структурными изменениями и
усиленными процессами переноса вещества, получившее название эффект дальнодействия. Различные проявления этого эффекта наблюдаются не только при сравнительно высоких или комнатных температурах, но даже при температуре жидкого азота [1-3]. Кроме того, температурная зависимость аномального массопереноса может иметь возрастающий с понижением температуры характер, что не позволяет объяснить природу этого явления в рамках обычной термически активируемой диффузии.
В большинстве случаев, когда наблюдался указанный эффект, через металлический образец проходили возбуждаемые при энергетических воздействиях волны напряжений, в результате взаимодействия которых с системой протяженных дефектов (дислокациями, дефектами упаковки, границами зерен и субзерен) изменялось пространственное распределение и плотность последних. Имеющий место при этом аномальный перенос вещества, по-видимому, каким-то образом связан с перестройкой дефектной структуры материала. Подобное усиление диффузионных процессов наблюдается и при нагревании (главным образом на начальном этапе) сильнодеформированных материалов [4-6]. А при нагреве дефекты структуры, как известно, перемещаются таким образом, чтобы накопленная упругая энергия системы уменьшалась [7] (отжиг [8]), в результате чего понижается плотность дислокаций. Причем более существенная перестройка дефектной структуры и увеличение скорости переноса диффундирующих атомов наблюдаются в кристаллах, деформированных во время термообработки [9]. Экспериментальные исследования [10] также показывают, что повышение плотности дислокаций приводит к возрастанию скорости миграции атомов по сравнению со скоростью в отожженных образцах, а при дальнейшем увеличении плотности дислокаций - снижается подвижность примесных атомов, что, по-видимому, объясняется ростом числа точек закрепления протяженных дефектов. Возможно, по этой причине изучаемый эффект не наблюдается при ионной имплантации сильнодеформированных и аморфных материалов [11,12].
В обрабатываемом мощным импульсным ионным пучком материале для анализа влияния на массоперенос поведения протяженных дефектов нужно знать динамику температурного поля, поскольку им определяется подвижность [13] и плотность подвижных и неподвижных дефектов. Также нужно учитывать, что при больших скоростях охлаждения сильно нагретого материала сохраняется сущность его высокотемпературного состояния вплоть до низких температур [14] (закалка). Скорее всего, аномальный массоперенос и его неоднозначная температурная зависимость обусловлены количеством перестраивающихся протяженных дефектов.
Существующие экспериментальные работы по исследованию диффузионных процессов в металлических материалах при обработке их поверхности пучками заряженных частиц не являются исчерпывающими для понимания природы наблюдаемого эффекта. Известные на сегодняшний день теории также не позволяют в полной мере объяснить проникновение диффундирующих атомов на глубины, значительно превосходящие проективный пробег внедряемых частиц. В связи с этим возникает необходимость в изучении влияния подвижности протяженных дефектов структуры на перераспределение примесных атомов в твердых телах при радиационных воздействиях. Особенно актуально численное моделирование процессов переноса вещества при распространении в материале упругих волн, а также в случае прохождения через металлический образец ударных волн большой амплитуда. Понимание природы усиленного массопереноса позволит более эффективно использовать облучение поверхности пучками заряженных частиц для создания материалов с заданным комплексом физико-механических свойств.
Поэтому целью настоящей диссертационной работы являлось выявление основных механизмов и интерпретация наблюдаемых закономерностей массопереноса на аномально большие глубины при облучении металлических материалов ионными пучками различной интенсивности. Для достижения указанной цели в диссертации ставились следующие задачи. 1. Исследовать
влияние подвижности протяженных дефектов на диффузионные процессы при ионном облучении металлов и сплавов. 2. Построить физико-математическую модель переноса вещества в металлических материалах, подвергаемых воздействиям ионными пучками различной интенсивности. 3. Численно проверить возможность увлечения примесных атомов упругими и ударными волнами, генерируемыми при облучении поверхности металлов пучками заряженных частиц. 4. На основе модельных расчетов дать интерпретацию появления длиннопробежных “хвостов" концентрационных профилей диффундирующих атомов при радиационных воздействиях на металлические материалы.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
1) Предложена физико-математическая модель переноса вещества в лоликристаллических металлических материалах, подвергаемых воздействиям ионными пучками различной интенсивности, в которой наряду с прямой объемной диффузией от облучаемой поверхности, учитывается диффузия по мигрирующим границам зерен, взаимодействующим с примесью.
2) Построено аналитическое решение уравнения диффузии с переменными коэффициентами с учетом упругого взаимодействия между атомами примеси и мигрирующей границей, позволяющее изучать влияние протяженных дефектов на диффузионные процессы.
3) Путем моделирования показано, что длиннопробежные "хвосты" концентрационных профилей диффундирующих атомов при радиационных воздействиях в лоликристаллических металлических материалах формируются за счет диффузии по мигрирующим границам зерен и дислокациям.
4) Наблюдаемые закономерности замедления диффузионных процессов на больших глубинах при многократных импульсных воздействиях мощным ионным пучком объяснены образованием высокой плотности закрепленных протяженных дефектов структуры.
5) Показано, что построенная модель переноса вещества может быть применена для расчета концентрационных профилей диффундирующих атомов при высокоскоростных импульсных механических воздействиях.
6) Уточнено влияние на усиление диффузионных процессов волн напряжений, генерируемых при обработке поверхности металлов пучками заряженных частиц.
Предложенная физико-математическая модель переноса вещества позволяет глубже понять механизм усиленного массопереноса в поликристаллических металлических материалах при облучении ионными пучками различной интенсивности. Полученные в работе результаты могут быть применены при анализе концентрационных профилей внедренных или перераспределенных атомов при радиационных воздействиях, а также при разработке новых технологий модификации свойств металлических материалов пучками заряженных частиц. Это определяет научное и практическое значение диссертации.
На защиту' выносятся следующие положения:
1. Основным механизмом усиленного массопереноса на глубины, значительно превышающие проективные пробеги внедряемых частиц, при высокодозовой ионной имплантации в поликристаллические металлические материалы является диффузия по мигрирующим границам зерен и дислокациям.
2. При облучении металлических систем мощными импульсными ионными пучками перераспределение примесных атомов в образце происходит на аномально большую глубину в результате диффузии по мигрирующим протяженным дефектам, в основном, до плавления материала.
3. С увеличением количества импульсных воздействий мощным пучком ионов ослабление эффекта усиленного переноса вещества на больших глубинах объясняется высокой плотностью закрепленных протяженных дефектов, поскольку из-за быстрого остывания образца они не успевают отжигаться, а повторное прохождение волн напряжений той же амплитуды оказывается
уже не способным привести к такой перестройке дефектной структуры и сопровождающему ее усилению массопереноса, как при первом воздействии.
4. Наблюдаемые после многократных импульсных воздействий мощным ионным пучком неоднородности концентрационных профилей перераспределенных атомов по глубине обусловлены термодиффузионным потоком.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением аналитических и современных численных методов, проверкой алгоритмов и вычислительных программ на тестовых задачах, сопоставлением экспериментальных данных и исследований других авторов с результатами, полученными в ходе выполнения настоящей работы.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17 научных конференциях (в том числе 11 международных): ежегодной Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1999 - 2006 г.г.); IV Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, 9-11 июня 1998 г.); 9-ом Межнациональном совещании "Радиационная физика твёрдого тела" (Севастополь, 28 июня - 3 июля 1999 г.); 10-ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (РФХ-10) (Томск, 21 - 25 сентября 1999 г.); Региональной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых (Новосибирск, 11-13 декабря 2001 г.); III Международной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Горный Алтай, 29 июля - 3 августа 2002 г.); III Всероссийской научной молодежной конференции "Под знаком сигма" (Омск, 4-6 июля 2005 г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (НТИ-2005) (Новосибирск, 8-11 декабря 2005 г.); Третьей конференции молодых ученых "Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-ем тысячелетии" (Томск, 3-6 марта 2006 г.); &пЛ
10
International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 10-15 September, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, наиболее значимыми из которых являются следующие.
1. Вершинин Г.А., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н, Кеба В.В., Субочева Т.В. Массоперенос в гетерогенных материалах при воздействии высокоинтенсивными пучками заряженных частиц // Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования. - 2000. - № 5. - С. 32-35.
Vershinin G.A., Poleshchcnko K.N., Povoroznyuk S.N., Kcba V.V., Subocheva T.V. Mass transfer in heterogeneous materials under irradiation with high-intensity beams of charged particles // Surface Investigation. - 2001. - V. 16. -P. 761-767.
В данных работах автором изучено влияние упругого взаимодействия примесных атомов с границей зерна на диффузионную проницаемость границы; рассчитаны модельные концентрационные профили имплантированных атомов циркония с учетом зернограничной диффузии в твердом сплаве ВК8.
2. Вершинин Г.А., Вахний Т.В. Влияние миграции границ зерен на формирование концентрационных профилей имплантированной примеси // Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования. -2003.-№5.-С. 18-21.
В данной работе автором получено аналитическое решение уравнения диффузии с переменными коэффициентами, в котором учитывается взаимодействие примесных атомов с мигрирующей границей зерна. Показано, что но мигрирующим протяженным дефектам возможно значительное ускорение диффузионных процессов. Данное решение было применено для описания экспериментально наблюдаемых при ионной имплантации длиннопробежных "хвостов" концентрационных профилей.
3. Вахний Т.В., Вершинин Г.А., Геринг Г.И., Писчасов Н.И. Усиленный массоперенос при импульсных воздействиях на металлические системы // Вестник Омского университета. - 2003. - № 3. - С. 30-32.
В работе автором реализована новая физико-математическая модель переноса вещества в металлических материалах, подвергаемых импульсным воздействиям мощными ионными пучками, в которой наряду с объемной диффузией под действием градиентов концентрации, температуры и давления конкурирует диффузия примесных атомов по мигрирующим границам зерен (дислокационным трубкам), взаимодействующим с примесью. Модельные расчеты концентрационных профилей сопоставляются с экспериментальными данными перераспределения атомов пленки в металлическую подложку в условиях импульсной обработки пучками заряженных частиц.
4. Вахний Т.В. Анализ массопереноса при прохождении ударных волн // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (НТИ-2005) (Новосибирск, 8-11 декабря 2005 г.). - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - Ч. 2. - С. 183-185.
Построение и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 160 наименований, и приложения; содержит 37 рисунков и 3 таблицы. Общий объем диссертации 143 страницы.
В первой главе диссертационной работы приведен обзор литературы по результатам исследований эволюции дефектной структуры и особенностей диффузионных процессов при энергетических воздействиях на металлические материалы. Проанализированы общие условия, при которых наблюдается аномальный перенос вещества. Рассмотрены основные современные модели и предполагаемые механизмы этого явления. По-видимому, при прохождении через металлический образец волны напряжений ускорение массопереноса каким-то образом вызвано перестройкой структуры материала. Однако к настоящему времени все еще отсутствуют теоретические модели переноса вещества при радиационных воздействиях, в которых бы учитывалось
изменение дефектной структуры (прежде всего, перестройка дислокаций и изменение их плотности) в процессе обработки материала. До сих пор остается окончательно не выясненным вопрос о возможности увлечения межузельных атомов волной напряжений, генерируемой при облучении металлических материалов пучками заряженных частиц. На основе литературного обзора сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена изучению диффузии имплантируемых атомов по неподвижным и мигрирующим границами зерен, взаимодействующим с примесью. Получено аналитическое решение уравнения переноса с
переменными коэффициентами, позволяющее рассчитывать вклад зернограничной диффузии в итоговый концентрационный профиль. Показано, что взаимодействие имплантируемых атомов с границами зерен может способствовать как ускорению, так и замедлению массопереноса. Тем не менее, благодаря ему, вокруг протяженных дефектов структуры формируется
атмосфера внедренных атомов, и она удерживается при их движении до
некоторой критической скорости (при которой происходит отрыв облака
примеси от протяженного дефекта). Исследовано влияние миграции границ зерен на диффузионные процессы. Показано, что по мигрирующим границам зерен глубина проникновения примеси может быть существенно больше, чем по неподвижным границам. Из проведенных расчетов следует, что в результате взаимодействия стенки дислокаций с примесью крупные частицы (радиус атомов примеси больше радиуса атомов основного материала) тормозятся ею, а мелкие (меньше), наоборот, ускоряются. Увеличение скорости миграции границ усиливает влияние этого взаимодействия, но, тем не менее, вклад подвижности границ с некоторого момента становится преобладающим и начинают ускоряться все атомы примеси. Кроме того, численно определено, что после -10 минут облучения дальнейшее увеличение времени внедрения частиц слабо влияет на глубину их проникновения, а после -30 минут облучения - почти и вовсе не влияет. В конце главы приводится сопоставление
- Київ+380960830922