ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ В КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ТВЁРДЫХ РАСТВОРАХ Ni-Fe-Cr
|
РЕФЕРАТ 4
Перечень условных обозначений 3
Введение 4
1 Обзор литературы 5
2 Методы и материалы 7
3 Результаты моделирования 10
3.1 Одиночные каскады 10
3.2 Продолжительное облучение 13
Заключение 27
Список использованной литературы 30
Перечень условных обозначений 3
Введение 4
1 Обзор литературы 5
2 Методы и материалы 7
3 Результаты моделирования 10
3.1 Одиночные каскады 10
3.2 Продолжительное облучение 13
Заключение 27
Список использованной литературы 30
Облучение высокоэнергетическим ионными пучками широко распространенный и эффективный метод обработки материалов. Ионное облучение применяется для обработки поверхностей, с целью имплантации в структуру материала дополнительных ионов, или для изменения его фазовой или дефектной структуры. Также ионное облучение может проявляться в виде побочного эффекта других процессов, последствия которого критически важно учитывать. В связи с этим, изучение механизмов формирования дефектной структуры при ионном облучении материала является актуальной научной задачей.
Самые элементарные акты облучения — это каскады атомных смещений. При попадании в облучаемый материал высокоэнергетической частицы, её кинетическая энергия постепенно рассеивается при столкновениях с атомами кристаллической решётки этого материала. Если при этом атомы решётки приобретают достаточно высокую кинетическую энергию, то они выходят из своих узлов. Такие атомы называются первично выбитыми атомами (ПВА). Далее ПВА передаёт окружающим атомам часть своей энергии и образует вторично выбитые атомы. Такая последовательность столкновений атомов, приводящая к выходу новых атомов из своих узлов, называется каскадом атомных смещений. При развитии каскада, энергия ПВА рассеивается по всем выбитым атомам и расходуется на их выход из узла решётки. Поэтому каскад развивается до тех пор, пока энергии, приходящейся на один атом, будет недостаточно, чтобы выбить новый. В большинстве металлов энергия, необходимая для выбивания атома составляет около 40 эВ [1]. Стадия развития каскада, когда количество выбитых атомов увеличивается, называется баллистической. Поскольку выбитые атомы находятся в энергетически невыгодном положении, они начинают возвращаться в узлы решётки. Эту стадию называют рекомбинационной. В силу неоднородности смещений и стохастичности процесса, в структуре остаются «выжившие» точечные дефекты в виде вакансий и собственных межузельных атомов (СМА). Эти дефекты формируют кластеры различного размера и формы. Посредством диффузионного движения кластеры точечных дефектов одного типа могут объединятся друг c другом, что приводит к образованию дефектов более высокого уровня: дислокационных петель, тетраэдров дефектов упаковки (ТДУ) и пор из вакансий. Наличие таких дефектов в структуре определяет его механические и физические свойства.
Одним из новых классов материалов, проявляющих высокую стойкость по отношению к облучению, являются однофазные концентрированные твёрдые растворы (КТР). Такие растворы имеют простую ГЦК или ОЦК решётку, что делает их удобными модельными материалами для изучения отклика многокомпонентного материала на облучение.
Самые элементарные акты облучения — это каскады атомных смещений. При попадании в облучаемый материал высокоэнергетической частицы, её кинетическая энергия постепенно рассеивается при столкновениях с атомами кристаллической решётки этого материала. Если при этом атомы решётки приобретают достаточно высокую кинетическую энергию, то они выходят из своих узлов. Такие атомы называются первично выбитыми атомами (ПВА). Далее ПВА передаёт окружающим атомам часть своей энергии и образует вторично выбитые атомы. Такая последовательность столкновений атомов, приводящая к выходу новых атомов из своих узлов, называется каскадом атомных смещений. При развитии каскада, энергия ПВА рассеивается по всем выбитым атомам и расходуется на их выход из узла решётки. Поэтому каскад развивается до тех пор, пока энергии, приходящейся на один атом, будет недостаточно, чтобы выбить новый. В большинстве металлов энергия, необходимая для выбивания атома составляет около 40 эВ [1]. Стадия развития каскада, когда количество выбитых атомов увеличивается, называется баллистической. Поскольку выбитые атомы находятся в энергетически невыгодном положении, они начинают возвращаться в узлы решётки. Эту стадию называют рекомбинационной. В силу неоднородности смещений и стохастичности процесса, в структуре остаются «выжившие» точечные дефекты в виде вакансий и собственных межузельных атомов (СМА). Эти дефекты формируют кластеры различного размера и формы. Посредством диффузионного движения кластеры точечных дефектов одного типа могут объединятся друг c другом, что приводит к образованию дефектов более высокого уровня: дислокационных петель, тетраэдров дефектов упаковки (ТДУ) и пор из вакансий. Наличие таких дефектов в структуре определяет его механические и физические свойства.
Одним из новых классов материалов, проявляющих высокую стойкость по отношению к облучению, являются однофазные концентрированные твёрдые растворы (КТР). Такие растворы имеют простую ГЦК или ОЦК решётку, что делает их удобными модельными материалами для изучения отклика многокомпонентного материала на облучение.
В работе с использованием компьютерного моделирования методом молекулярной динамики для КТР Ni-Fe-Cr разного химического состава изучены особенности кластеризации точечных дефектов при развитии единичных каскадов атомных смещений, а также особенности накопления повреждений и формирования дефектной структуры при продолжительном облучении для различных плотностей потоков ионов. Показано, что понижение доли Cr и увеличение доли Fe в составе КТР Ni-Fe-Cr приводит к уменьшению количества выживших дефектов в материале. Добавление Fe и Cr в Ni понижает степень кластеризации СМА и максимальный размер кластеров, образованных после остывания каскада атомных смещений. Повышение доли Fe для КТР с содержанием Cr < 25 % усиливает тенденцию к кластеризации вакансий и увеличивает размеры их кластеров.
Выявлено влияние химического состава КТР на особенности формирования кластеров выживших точечных дефектов. Механизм их образования связан с тем, что в процессе развития каскада атомных смещений основная часть межузельных атомов формируется на его периферии, а в центральной области каскада материал находится в динамическом состоянии, схожем с расплавом. Особенности кристаллизации этой области определяют размер образовавшихся кластеров точечных дефектов. Обнаружено, что чем больше изначальный объём ядра каскада и больше время его кристаллизации, тем больше одиночных вакансий образуется по мере остывания каскада вдали от центра, и тем меньшего размера кластер вакансий остаётся в центре этой поврежденной области. Повышение доли Cr и уменьшение доли Fe в КТР Ni-Fe-Cr увеличивает время остывания каскада и приводит к образованию кластеров вакансий меньшего размера. За счет высокой подвижности одиночные СМА на периферии каскада быстро объединяется в большие и малоподвижные кластеры, которые не взаимодействуют с ядром каскада. Увеличение доли Cr в КТР Ni-Fe-Cr приводит к понижению подвижности одиночных СМА и размеров межузельных кластеров.
Количество формируемых при продолжительном облучении дефектов в КТР намного меньше, чем в никеле и существенно ниже, линейная экстраполяция через среднее количество дефектов от изолированных каскадов, что говорит об активизации механизмов аннигиляции точечных дефектов противоположного типа. Увеличение плотности потока приводит к росту доли точечных дефектов, которые составляют кластеры размером не более 26 атомов как для NiFe, так и для Ni40Fe10Cr50. С другой стороны, увеличение плотности потока приводит к подавлению доли межузельных атомов, составляющих кластеры, размером более 302 атома, в случае вакансий этот эффект был незаметен. Расчёт средних размеров кластеров показал, что во всех случаях это значение растёт с увеличением дозы.
Также средний размер кластера уменьшался с увеличением плотности потока ионов, что подтверждало тенденцию, наблюдавшуюся при рассмотрении распределений кластеров по размерам. Уменьшение этого значения с плотностью потока связано с уменьшением времени, доступным для объединения дефектов в большие кластеры.
Кластеры межузельных атомов представляли собой дислокационные петли, кластеры из вакансий - либо поры, либо ТДУ В составе Ni4oFeioCr5o были обнаружены только ТДУ, в отличие от NiFe, где образовывались и поры, и ТДУ Во обоих составах по длине преобладали петли Шокли и ТДУ, в Ni4oFeioCrso их было примерно в 1,5 раза больше, чем в NiFe. На третьем месте в NiFe оказались дислокации типа 1/3<111>, в Ni4oFeioCr5o их практически не было, но при этом было немного больше дислокаций типа 1/3<1oo>.
Основной механизм радиационной стойкости КТР Ni-Fe-Cr - аннигиляция межузельных петель и ТДУ Она наиболее интенсивно происходит в Ni4oFe1oCr5o за счёт оптимальных размеров вакансионных и межузельных дефектов и их наиболее равномерного распределения по образцу. В NiFe в зависимости от локального химического окружения из вакансий может формироваться или пора, или ТДУ. Так как почти все точечные дефекты образуют кластеры, представляющие собой дислокационные петли и ТДУ, в рёбрах которого находятся сидячие дислокации, то поток ионов влияет схожим образом как на размеры кластеров, так и на длину дислокаций, которые они окаймляют. Большой поток не дает дислокационным петлям достаточно времени для миграции и объединения их с другими петлями. Отличия для разных плотностей потоков ионов в длине дислокаций становится всё меньше с ростом дозы, так как растёт средний размер кластеров, которые всё труднее диссоциировать единичным каскадом.
Таким образом, зная влияние химического состава на стабильность вакансионных дефектов определенного типа и плотности потока ионов на размеры кластеров, становится возможным варьировать концентрацию и размеры вакансионных дефектов, чтобы, например, управлять скоростями реакций между ними и межузельными петлями. Особенности кластеризации радиационных дефектов при продолжительном облучении коррелируют с результатами для единичных каскадов. Ni более склонен к образованию больших кластеров вакансий и СМА, за ним идет NiFe, а минимальными размерами характеризуются кластеры в Ni4oFe1oCr5o. Таким образом, данные для единичных каскадов могут быть использованы в более высокоуровневых моделях для предсказания дефектной структуры при продолжительном облучении материала.
Выявлено влияние химического состава КТР на особенности формирования кластеров выживших точечных дефектов. Механизм их образования связан с тем, что в процессе развития каскада атомных смещений основная часть межузельных атомов формируется на его периферии, а в центральной области каскада материал находится в динамическом состоянии, схожем с расплавом. Особенности кристаллизации этой области определяют размер образовавшихся кластеров точечных дефектов. Обнаружено, что чем больше изначальный объём ядра каскада и больше время его кристаллизации, тем больше одиночных вакансий образуется по мере остывания каскада вдали от центра, и тем меньшего размера кластер вакансий остаётся в центре этой поврежденной области. Повышение доли Cr и уменьшение доли Fe в КТР Ni-Fe-Cr увеличивает время остывания каскада и приводит к образованию кластеров вакансий меньшего размера. За счет высокой подвижности одиночные СМА на периферии каскада быстро объединяется в большие и малоподвижные кластеры, которые не взаимодействуют с ядром каскада. Увеличение доли Cr в КТР Ni-Fe-Cr приводит к понижению подвижности одиночных СМА и размеров межузельных кластеров.
Количество формируемых при продолжительном облучении дефектов в КТР намного меньше, чем в никеле и существенно ниже, линейная экстраполяция через среднее количество дефектов от изолированных каскадов, что говорит об активизации механизмов аннигиляции точечных дефектов противоположного типа. Увеличение плотности потока приводит к росту доли точечных дефектов, которые составляют кластеры размером не более 26 атомов как для NiFe, так и для Ni40Fe10Cr50. С другой стороны, увеличение плотности потока приводит к подавлению доли межузельных атомов, составляющих кластеры, размером более 302 атома, в случае вакансий этот эффект был незаметен. Расчёт средних размеров кластеров показал, что во всех случаях это значение растёт с увеличением дозы.
Также средний размер кластера уменьшался с увеличением плотности потока ионов, что подтверждало тенденцию, наблюдавшуюся при рассмотрении распределений кластеров по размерам. Уменьшение этого значения с плотностью потока связано с уменьшением времени, доступным для объединения дефектов в большие кластеры.
Кластеры межузельных атомов представляли собой дислокационные петли, кластеры из вакансий - либо поры, либо ТДУ В составе Ni4oFeioCr5o были обнаружены только ТДУ, в отличие от NiFe, где образовывались и поры, и ТДУ Во обоих составах по длине преобладали петли Шокли и ТДУ, в Ni4oFeioCrso их было примерно в 1,5 раза больше, чем в NiFe. На третьем месте в NiFe оказались дислокации типа 1/3<111>, в Ni4oFeioCr5o их практически не было, но при этом было немного больше дислокаций типа 1/3<1oo>.
Основной механизм радиационной стойкости КТР Ni-Fe-Cr - аннигиляция межузельных петель и ТДУ Она наиболее интенсивно происходит в Ni4oFe1oCr5o за счёт оптимальных размеров вакансионных и межузельных дефектов и их наиболее равномерного распределения по образцу. В NiFe в зависимости от локального химического окружения из вакансий может формироваться или пора, или ТДУ. Так как почти все точечные дефекты образуют кластеры, представляющие собой дислокационные петли и ТДУ, в рёбрах которого находятся сидячие дислокации, то поток ионов влияет схожим образом как на размеры кластеров, так и на длину дислокаций, которые они окаймляют. Большой поток не дает дислокационным петлям достаточно времени для миграции и объединения их с другими петлями. Отличия для разных плотностей потоков ионов в длине дислокаций становится всё меньше с ростом дозы, так как растёт средний размер кластеров, которые всё труднее диссоциировать единичным каскадом.
Таким образом, зная влияние химического состава на стабильность вакансионных дефектов определенного типа и плотности потока ионов на размеры кластеров, становится возможным варьировать концентрацию и размеры вакансионных дефектов, чтобы, например, управлять скоростями реакций между ними и межузельными петлями. Особенности кластеризации радиационных дефектов при продолжительном облучении коррелируют с результатами для единичных каскадов. Ni более склонен к образованию больших кластеров вакансий и СМА, за ним идет NiFe, а минимальными размерами характеризуются кластеры в Ni4oFe1oCr5o. Таким образом, данные для единичных каскадов могут быть использованы в более высокоуровневых моделях для предсказания дефектной структуры при продолжительном облучении материала.
