Методы исследований в материаловедении

Следует отметить, что ни одна из ныне действующих и проектируемых ядерных энергетических установок (ЯЭУ) не имеет аналога по уровню предъявляемых требований к ее безопасности по сравнению с ТЯР. Трудно даже представить, какими свойствами должен обладать материал первой стенки общей площадью в несколько сот квадратных метров, подвергающийся в течение десятков лет воздействию мощного потока ионизирующих излучений, высокой температуры, агрессивных сред и сохранять при этом все свои конструкционные качества, оставаясь одновременно водородно-непроницаемым и, вне всякого сомнения, вакуумно-плотным. Именно эти обстоятельства предопределяют необходимость проведения широкого фронта исследований по разработке новых материалов, обладающих, с одной стороны, определенным спектром качественно новых, специфических, иногда уникальных свойств, а с другой - быть доступными из не дефицитного сырья, извлекаемые с привлечением ресурсосберегающих технологий. Тем не менее, разработка и производство качественно нового вида продукции всегда связаны со значительными материальными затратами и решением принципиально новых технических трудностей, в том числе аналитического и экспериментального характера. И хотя к настоящему времени создан огромный класс модельных сплавов на металлической основе, удовлетворяющих этим требованиям, которые, например, не теряют прочностных свойств при высоких температурах, остаются вязкими при криогенно низких, коррозионно-стойкими во многих агрессивных средах и с каждым годом класс таких материалов непрерывно расширяется, и все же среди них особое место занимают металлы и сплавы, претерпевающие полиморфные превращения и с эффектом памяти формы, которые до последнего времени не получили должного признания. Наряду с этим требования к их радиационной стойкости приобретают необычайную значимость. Следовательно, изучение основных свойств материалов, определяющих их физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные и другие характеристики, позволяет установить область рационального использования последних с максимальной эффективностью. При этом исследования реальной структуры разработанных материалов показали принципиальную возможность получения сплавов с прочностью, сравнимой с прочностью межатомных связей.

Не будет преувеличением утверждение о том, что ведущая роль в разработке этих материалов принадлежит металлам переходных групп и, очевидно, что дальнейший прогресс в самых различных областях современной науки и техники определяется, прежде всего, нашим знанием и пониманием сущности происходящих явлений в кристаллической структуре этих веществ на атомарном уровне в условиях различных внешних воздействий. Поэтому основное внимание исследователей необходимо направить на изучение именно структурных превращений в кристалле, в особенности, его электронной и дефектной структуры, а также ее роли в формировании конечных физических свойств материала. Можно также отметить, что с электронной структурой вещества связаны почти все его свойства, а неизменность структуры при внешних воздействиях определяет стабильность основных характеристик и может служить главным показателем радиационной стойкости материала.

Тем не менее, проблемы ядерной и термоядерной энергетики настоятельно требуют продолжения широкого круга исследований по изучению процессов взаимодействия ядерных излучений с металлическими материалами и последующей модификации их структуры. Под действием бомбардирующих корпускулярных частиц и электромагнитных излучений в кристаллах происходят сложнейшие процессы, связанные со структурными и фазовыми превращениями, которые иногда могут быть полезными, а чаще всего вредными, приводящие, как правило, к деградации исходных состояний материала, но получаемая при этом информация в любом качестве позволяет глубоко проникнуть в сущность происходящих процессов и, как следствие, расширяют наши знания о структуре и свойствах твердых тел. Например, за последние десятилетия с начала развития радиационного материаловедения и физики радиационных повреждений как важнейшего раздела физики твердого тела, были обнаружены и интенсивно изучены многие явления, протекающие в твердых телах под действием облучения, к основным из которых относятся радиационное упрочнение, высоко- и низкотемпературное охрупчивания, радиационные рост и ползучесть, радиационные распухание и легирование, радиационно-стимулированные процессы массопереноса и распыления поверхности, флэкинг и блистеринг. Совершенно недавно открыты явления радиационной наследственности в металлических материалах и радиационно стимулированной сегрегации компонентов сплавов, которые приводят к существенному изменению структурно-фазового состояния материала, независимо от его исходного равновесного и неравновесного состояний.

Поэтому для достоверного установления общих закономерностей наблюдаемых явлений и процессов, служащих основанием для прогнозирования работоспособности элементов конструкции, предназначенных для использования в активной зоне, прежде всего, необходимо глубокое и доскональное понимание всего того, что связано с процессом зарождения, возникновения и последующей эволюции и модификации дефектной структуры металлов и сплавов. Однако эта проблема достаточно далека от завершения и окончательное решение ее зависит от многих обстоятельств и, прежде всего потому, что еще не закончено накопление необходимых теоретических и экспериментальных данных о поведении твердого тела в процессе облучения и пострадиационного отжига. Несмотря на имеющиеся дискуссии, до сих пор среди исследователей нет единого мнения о роли и механизме влияния примесей и элементов легирования на различные радиационно-стимулированные процессы распухания и его подавления. В связи с этим особенно остро стоит вопрос управления радиационной повреждаемостью конструкционных материалов.

Современная физика радиационного материаловедения предполагает два пути решения этой проблемы: моделирование процессов взаимодействия ионизирующих излучений с веществом и решения кинетических уравнений, описывающих пространственное и энергетическое распределение бомбардирующих и других частиц, участвующих в этом процессе. В первом случае игнорируется электронная структура вещества, а во втором- сама кристаллическая структура металла. Кроме того, предполагаемые при этом отдельные механизмы не могут объяснить всего комплекса экспериментально наблюдаемых явлений, связанных с выделением и распадом новых фаз, образованием и модификацией стоков точечных дефектов, эволюцией дефектной области и перестройкой ее электронной структуры. Хотя процессы радиационного повреждения чистых материалов, образованных из атомов одного элемента, в определенной степени решены для идеальных кристаллов методом компьютерного моделирования, реальные конструкционные материалы, используемые в реакторостроении, много компонентны и, кроме мощного потока ионизирующих излучений, они одновременно подвергаются воздействию различных и независимых видов химико-термической обработки, точный учет которых как в процессе компьютерного моделирования, так и составления и решения кинетических уравнений, практически не представляется возможным или наталкивается на значительные трудности, преодоление которых возможно в ограниченных условиях путем допущения различного характера упрощений.

Основным инструментом познания в данном случае является эксперимент и, поскольку наука о металлах в большинстве случаев носит экспериментальный характер, то глубина, объективность и достоверность нашего понимания изучаемых явлений, связанных с электронной и дефектной структурой материалов, определяются возможностями используемых технических средств и методов исследований для решения поставленной задачи. При этом для физических исследований всегда характерной была комплексность подхода при постоянном стремлении к получению максимально достоверных результатов, что возможно только в условиях привлечения различных и независимых методов исследования для получения дополнительно новой информации с целью подтверждения или пересмотра имеющихся сведений об изучаемом явлении. Установление причин и следствий наблюдаемых функциональных зависимостей и объективность оценки результатов эксперимента возможны только в случае привлечения достаточно тонких, структурно- чувствительных методов исследо-ваний, знания возможностей которых является принципиальным условием правильности интерпретации полученных закономерностей.

В связи с этим в данном разделе будут рассмотрены два наиболее перспективных экспериментальных метода исследования структурных характеристик твердых тел-позитронной и ядерно-гамма-резонансной спектроскопии.