Диффузия и отжиг радиационных точечных дефектов

 

Изначально количество создаваемых радиацией вакансий и внедрений одинаково, в то время как без облучения число равновесных термических вакансий значительно больше числа термических внедрений из-за большой энергии образования последних. Такая ситуация связана с тем, что при облучении на их образование расходуется энергия излучения. Дальнейшая судьба радиационных точечных дефектов, не использованных при образовании дислокационных петель и пор, зависит от многих факторов.

Дополнительные диффузионно активные дефекты усиливают процессы диффузии и оказывают существенное влияние на эволюцию микроструктуры облучаемых материалов. Эволюция определяется сложным соотношением между точечными дефектами и их стоками, характеризующимися мощностью, концентрацией и распределением в объёме.

К стокам причисляют всё многообразие более крупных несовершенств структуры, вокруг которых можно выделить некоторую область. На внешних границах области существует установившаяся концентрация точечных дефектов, определяемая всей совокупностью стоков. Отсюда образуются их потоки к стоку, на оболочке которого концентрацию вакансий обычно считают равной равновесной концентрации термических вакансий, а концентрацию междоузельных атомов полагают равной нулю. Дислокации, их скопления и дислокационные петли не являются нейтральным стокам. Они склонны к предпочтительному поглощению междоузельных атомов и эта склонность у петель выражена больше.

Теоретические модели ещё не способны самостоятельно описать эволюцию микроструктуры. Обычно такое описание делают с привлечением эмпирических соотношений, полученных из структурных исследований. Принято считать, что вначале происходит отжиг дислокаций, имеющихся в исходном состоянии. Этот процесс особенно ярко проявляется у холодно деформированных материалов. Одновременно увеличивается плотность и размер дислокационных петель. Как правило, это относится к междоузельным петлям. Их рост продолжается до тех пор, пока не начнётся их встраивание в сетку дислокаций. После этого дислокационная структура стабилизируется. Стабильную структуру наблюдают с повреждающих доз ~ 0,01 – 1 сна. Сохраняется она по крайней мере до дозы ~ 20 сна. При этом суммарная плотность дислокаций составляет (1-3)10¹⁰см^-2.

Эволюция вакансионных петель менее определённа. Чаще всего считают, что их развитие происходит и после стабилизации структуры междоузельных петель. Но есть сведения и о более ранней стабилизации параметров вакансионных петель по сравнению с междоузельными.

При температуре свыше 400^оС уже велика подвижность вакансий и в ряде конструкционных материалов каскад способствует порообразованию. Этот процесс приводит к так называемому распуханию материалов с уменьшением их плотности и увеличением объёма.

При больших дозах повреждения зачастую наблюдают упорядочение радиационных дефектов с образованием суперрешёток. Обнаружены суперрешётки вакансионных и газовых пор, пор на дислокациях, дислокационных петель. Машинное моделирование процессов их образования приводит к заключению о возможности упорядочения всех типов дефектов, в том числе и точечных.

В радиационном материаловедении хорошо известно о влиянии облучения на фазовое состояние сталей и сплавов. Характер этого влияния различен. Как уже отмечалось, реакторное облучение способно разрушить мелкодисперсные выделения вторых фаз при прохождении через них радиационных каскадов. Усиление диффузионных процессов при облучении играет противоположную роль. Оно способствует переводу метастабильных состояний в стабильные и создаёт уникальную возможность образования новых фаз, область существования которых находится при такой низкой температуре, при которой обычная диффузия практически отсутствует.

Влияние появления и эволюции радиационных дефектов на структурное состояние конструкционных материалов проиллюстрировано в табл. 7. В ней в качестве примера приведены результаты электронно-микроскопических исследований микроструктуры необлучённых (F_бн=0) и облучённых (F_бн=5×10²¹ см^-2с^-1, Е>0,1 МэВ) под нагрузкой оболочечных труб из циркониевых сплавов Э110 и Э636.

Длительное облучение при температуре около 300 ^оС повлияло на размер и концентрацию выделений мелкодисперсных фаз, плотность дислокаций с разными плоскостями залегания и привело к образованию дислокационных петель двух типов.

Существенный вклад в изучение поведения радиационных дефектов был внесён при исследовании стадий их отжига. Для таких исследований использовали облучённые при низких температурах образцы разных элементов и сплавов. В процессе изохрональных отжигов в широком диапазоне температур регистрировали структурно чувствительные свойства (электросопротивление, магнитную проницаемость, запасённую тепловую энергию и т.д.) и наблюдали пять стадий отжига дефектов. Первые три стадии в диапазоне температур -263 – 20 ^оС характеризуются малыми энергиями активации (0,02-0,7 эВ) и связываются с перемещением внедрениё, их несложных конфигураций (гантели), закреплением на примесях и рекомбинацией со своей или чужой вакансией. Четвёртую и пятую стадии относят за счёт миграции вакансий. Четвёртая стадия имеет низкотемпературную (до 100 ^оС) и высокотемпературную (свыше 100 ^оС) подстадии с энергиями активации 0,5 и 1-1,4 эВ и миграцией дивакансий и одиночных вакансий соответственно. Миграция точечных дефектов и их простых комплексов увеличивает размеры последних. На пятой стадии комплексные дефекты вначале укрупняются, но их число уменьшается. При дальнейшем нагреве (свыше 550 ^оС) комплексы исчезают.

Таблица 7