Подвижность радиационных дефектов.

Облучение кристаллических твердых тел при повышенных температурах высокоэнергетическими частицам оказывает сильное влияние на их микроструктуру. В чистых металлах появляются пары Френкеля и вследствие неполной рекомбинации образующихся МУА и вакансий, их концентрация в кристалле намного превышает термодинамически равновесные значения. МУА обладают очень высокой подвижностью и, кроме того, степень пресыщения кристалла межузельными атомами радиационного происхождения намного выше, чем вакансиями. Такое сочетание сильного пресыщения и высокой подвижности быстро приводит к объединению МУА в межузельные дислокационные петли. Менее подвижные избыточные вакансии радиационного происхождения также в конце концов объединяются в поры. Если упругое взаимодействие дислокаций с МУА и вакансиями одинаково, то, например к межузельным дислокационным петлям установятся одинаковые потоки вакансий и МУА и рост петель будет таким образцом невозможен. Однако существующая склонность дислокаций к преимущественному взаимодействию с МУА посравнению с вакансиями способствует установлению незатухающих потоков разных дефектов к разным стоком, обеспечивая тем самым рост стоков двух типов: межузельных дислокационных петель и пор. Рост пор при этом приводит к распуханию материала. В поликристаллических материалах существуют и другие стоки для точечных дефектов, а именно границы зерен и свободные поверхности, которые являются нейтральными в смысле поглощения вакансий или МУА. Однако гораздо большей подвижности МУА ожидается, что они будут подходить к этим стоком с большей скоростью, чем вакансии. В чистых металлах существование нейтральных стоков не приводит к последствиям более серьезным, чем появление по обеим сторонам границы зерен зон, свободных от пор и петель из-за малого пересыщения этих областей точечными дефектами.

В сплавах ситуация осложняется тем что, атомы компонентов могут объединяться в комплексы с точечными дефектами. Например, хорошо известно явление образования комплексов вакансия- растворенный атом или МУА – растворенный атом. В таком случае при существовании сильной связи между вакансией и растворенным атомом незатухающий вакансионный поток к стоку будет сопровождаться потоком атомов определенного сорта. В результате происходит обогащение твердого раствора соответствующим компонентом вблизи вакансионного стока и обеднение в остальной части матрицы. Если растворенный атом не связывается с вакансией, то возможно обеднение раствора у вакансионных стоков, если замещающие растворенные атомы диффундируют быстрее атомов растворителя. В этом случае поток растворенных атомов противоположен потоку вакансий. В то же время, существование сильной связи растворенных атомов с МУА всегда приводит к их совместному потоку в одном направлении. В этом случае неизбежно обогащение твердого раствора у стоков для МУА.

Таким образом, в процессе облучения или нагрева диффузия вакансий или МУА к стокам точечных дефектов, таким как поры, дислокации или границы зерен, создает результирующие патоки растворенных атомов и атомов растворителя в противоположных направлениях. При этом поток вакансии к стоку связен с потоком атомов, равным по величине и противоположным по направлению. Если коэффициенты диффузии элементов не равны между собой, то область вблизи вакансионных стоков обедняется быстро диффундирующим компонентом и обогащаются медленно движущимся компонентом.

 

Отжиг дефектов в металлах

Когда концентрация дефектов в твердом теле превышает равновесный уровень при данной температуре, то при подходящих условиях эти дефекты будут реагировать друг с другом с тем, чтобы уменьшить свободную энергию кристалла. Свойство твердого тела, обусловленное присутствием радиационных дефектов, теперь зависит от времени, в течение которого происходят реакции взаимодействия между дефектами. Эти изменения происходит быстрее при более высокой температуре. При значительном увеличении температуры исчезают даже следы изменений свойств, обусловленных дефектами. Процессы восстановления свойств твердого тела с повышением температуры, измененных в свое время дефектами, называются отжигом.

Отжиг можно описать с помощью уравнений подобных тем, которые используются в химической кинетике. Полагается, что для осуществления реакции, в результате которой возможно изменение свойств, дефекту необходимо сообщить энергию , называемой энергией активации миграции. Доля дефектов, обладающих этой энергией, определяется экспоненциальным множителем. Тогда скорость отжига свойств в этом случае описывается

(3.23)

где - изменение некоторого свойства, остающееся после отжига при температуре в течение времени ; - постоянная Больцмана; - некоторая константа; n- порядок реакции.

В этом виде данное уравнение описывает только один процесс. В твердом теле одновременно происходит несколько процессов, развивающихся с различными скоростями. Процессы с наименьшей энергией активации протекают быстрее при более низкой температуре, а обладающие высокой энергией активации ускоряются с ростом температуры. Изучение отжига направлено на установление типов дефектов и реакций, приводящих к восстановлению свойств твердого тела. С этой целью для каждой реакции определяются постоянные и , а затем найденные значения сравниваются с теоретическими.

Пусть имеются два одинаковых образца, выдержанные при температурах и . В образцах происходит лишь один из процессов отжига. Скорости отжига равны:

(3.24)

(3.25)

 

Если в обоих образцах речь идет об изменении одного и того же свойства при отжиге, то:

(3.26)

Из этого уравнения может быть найдено значения энергии активации миграции дефектов. Отжиг может быть изотермическим или изохронным. При изотермическом отжиге температура образца поднимается до заданной величины и в дальнейшем измеряется некоторая физическая величина образца, зависящая от наличия дефектов в нем. В результате экспериментально получают временную зависимость кривой отжига. После выхода кривой на постоянное значение измеряемой величины, температуру поднимают до более высокого значения и весь процесс повторяется. По данным эксперимента определяют энергию активации миграции дефектов по выше приведенной формуле.

Но главной целью отжига является установление стадии отжига, соответствующих прохождению каждой отдельно взятой реакции, то есть типа дефектов. Это можно выполнить методом изохронного отжига. Суть этого метода заключается в следующем. Температура образца поднимается до заданной величины и образец выдерживается при этой температуре заданное время . Затем образец охлаждается до комнатной температуры и измеряется физическая величина. После этого температура образца вновь поднимается до более высокого значения, снова выдержка в течение времени охлаждение и измерение. Процесс повторяется до тех пор, пока измеряемый физический параметр не выйдет на постоянную величину. Построив температурную зависимость измеряемой физической величины, можно установить температурные интервалы восстановления различных структурных дефектов, внесенных облучением (см. рис), и определить энергию активации миграции для каждого случая

Конечную структуру облученного материала можно установить проведением изохронального отжига различными методами. Наиболее чувствительным является измерение электросопротивления. Величина очень чувствительна присутствию дефектов и ее можно легко измерить с большой точностью. Для этого по вертикальной оси откладывается относительное изменение электросопротивления в результате отжига. По горизонтальной оси откладывается температура отжига, пересчитанная в энергию. Такая зависимость называется кривой отжига, или кривой возврата. Характер кривых возврата показывает, что отжиг дефектов во всех случаях обработки происходит в несколько стадий. На каждой стадии происходит изменение на определенную величину в зависимости от вида обработки. Между стадиями эта величина остается неизменной. Приведенные ниже кривые отжига в принципе является модельной. Присутствие всех пяти стадии отжига является вовсе необязательным. Все зависит от исходной дефектной структуры металла. Каждая стадия связана с уничтожением (или перераспределением) дефектов определенного типа. Так, I – стадию объясняют рекомбинацией близко расположенных парных дефектов Френкеля. Этот вид отжига осуществляется за счет миграции единичных МУА, которым соответствует минимальная энергия активации миграции.

На II – стадии возврата происходит также миграция МУА, но уже расположенных относительно далеко. Но эта миграция не приводит к рекомбинации с вакансией. Эти МУА поглощаются в основном границами зерен, дислокациями, выйти на поверхность. Дислокации, поглотившие такие МУА, могут перемещаться по кристаллу. Относительно этой стадии существуют и другие мнения. Возможно, на этой стадии происходит распад комплексов из МУА и атомов примесных элементов. Тогда мигрирующие МУА могут образовывать другие комплексы – дислокационные петли. Точную картину механизма проявления второй стадии можно установить, проводя прямые эксперименты, позволяющие установить спектр дефектов до и после отжига и проследить кинетику изменения этого спектра.

Объяснение III- стадии возврата также дискуссионно. Существует мнение, что она связана с распадом комплексов МУА, миграцией последних в кристаллической решетке и слиянием с единичными вакансиями. Согласно другой точке зрения, III- статья в облученных металлах связана с миграцией вакансий и захватам их на дефектах других типов. В ряде работ этот механизм приписывается IV-стадии. По окончании III- стадии в металлах присутствуют только вакансионные поры и дислокационные петли. На IV-стадии происходит движение (переползания) дислокаций, рождение термических вакансий и удаление крупных дефектов.

 

а) – после деформации; б) – после закалки; в) – после облучения.

Рис. 3.2. Кривые изохронального отжига металла, имеющего различные состояния

 

Таким образом, дефекты в металлах существенно влияют на их свойства, что их удаление при нагреве происходит поэтапно (по стадиям) и механизмы этих стадий еще требуют серьезного исследования. Тем не менее, качественная сторона этого процесса все же вполне обозримо. Например, отсутствие I – стадии в металлах, подвергнутых деформации и закалке, объясняется тем, что МУА в этих случаях не создаются или не фиксируются. С этих позиций вполне понятно различие кривых отжига металлов, облученных электронами и тяжелыми ионами. При электронном облучении создаются только точечные дефекты и структура материала восстанавливается почти полностью на

I – стадии.