эффект дальнодействия и коллективные процессы в металлах

ЭФФЕКТ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ И КОЛЛЕКТИВНЫЕ
ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛАХ
В.С. Хмелевская, В.Г. Малынкин
Обнинский институт атомной энергетики
Рассматриваются теоретические и экспериментальные аспекты эффекта дальнодействия при ионном облучении металлических материалов. Совокупность фактов
указывает на важную роль коллективных процессов в твердом теле, индуцированных облучением. Экспериментально показано, что радиационное упрочнение в различных материалах простирается на глубины, на порядки превосходящие величины, предсказанные теорией. Кроме того, представлены результаты изучения структуры приповерхностного слоя – «радиационные белые слои» (слои измененной травимости). Представляется, что их появление однозначно доказывает существование
эффекта дальнодействия.
Введение
Эффект дальнодействия – эффект дальнего и сверхдальнего проникновения
радиационного фронта в твердое тело при ионном облучении– является одним из
кардинальных вопросов радиационного повреждения материалов. С одной стороны, распределение радиационных дефектов и имплантируемых ионов по глубине
представляет первостепенный технический интерес, поскольку во многих случаях
эти сведения важны для радиационного модифицирования материалов (одной из
наиболее быстро развивающихся высоких технологий). С другой стороны, исследование данного эффекта имеет важное фундаментальное значение для понимания природы взаимодействия излучения с веществом, которая в имеющихся моделях описывается упрощенно и, по-видимому, в некоторых случаях неадэкватно.
Существующие теории предсказывают сходные профили распределения радиационных дефектов и примесных атомов, введенных облучением [1], оба профиля имеют гауссову форму, причем максимум распределения для дефектов расположен несколько ближе к поверхности мишени. Расчет, основанный на рассмотрении парных соударений быстрых частиц с атомами мишени (см., например,
программу TRIM), дает среднюю глубину проникновения ионов и дефектов около
сотни ангстрем для энергий ионов в десятки кэВ; даже при энергиях в несколько
МэВ и для легких ионов толщина поврежденного слоя, согласно расчету, составляет всего лишь доли микрона. Правда, при переходе от беспорядочно расположенных ионов к трехмерной периодичности в кристаллической решетке возникают специфические ориентационные эффекты, приводящие к более глубокому
проникновению ионов и быстрых частиц вдоль отдельных кристаллографических
направлений [2], однако, доля таких «хвостов» в общем распределении относительно невелика.
Тем не менее во множестве экспериментальных работ, выполненных с применением различных методов исследования, наблюдали проникновение радиационного воздействия в мишень на большие глубины, существенно, иногда на не173
сколько порядков превышающие расчетные пробеги. Многочисленные примеры
подобных экспериментов можно найти в обзорах [3-6].
При анализе описанных в литературе экспериментов, в которых наблюдался
эффект дальнодействия, представляется целесообразным, исходя из особенностей
радиационного воздействия, разделить их на две группы. К первой группе можно
отнести повреждение материалов в высокотемпературной плазме. Здесь, несмотря
на сравнительно низкую энергию и, следовательно, малые расчетные пробеги атомов, зарегистрировано аномально глубокая – на десятки и сотни микрон – диффузия чужеродных атомов [7,8]. При всем различии условий облучения характерной
особенностью здесь является чрезвычайно высокая плотность тока. Именно в условиях образования структур с очень большими уровнями повреждения и концентрациями дефектов становится возможным сверхглубокий массоперенос.
Вторую группу экспериментов составляют исследования структуры и свойств
материалов после облучения их ионами средних энергий до доз 1015–1018 ион/см2
с плотностью тока порядка десятков микроампер на квадратный сантиметр. При
этих, весьма распространенных условиях облучения оказывается, что значительного массопереноса не происходит, и имплантируемые ионы остаются в тонком
приповерхностном слое, примерно совпадающем по величине с теоретически
предсказываемыми величинами. Так, исследования, выполненные Гусевой [3]
методом послойного оже-анализа, позволили показать, что в большинстве случаев
распределение инородных атомов, введенных облучением, соответствует расчетному. Однако за тонким приповерхностным слоем материала, насыщенным чужеродными атомами, простирается достаточно протяженный – от нескольких микрон до десятков и даже сотен микрон – радиационно-поврежденный слой с измененными свойствами, в котором обнаружено:
• существенное увеличение микротвердости, зарегистрированное на глубинах до нескольких десятков микрон;
• аномально глубокое залегание дефектов, индуцированных облучением –
дислокационных петель, пор, дефектов упаковки и изменение под действием облучения исходной дислокационной структуры материала;
• изменение параметров кристаллической структуры, а также появление новых кристаллических фаз на большой глубине.
Эти и некоторые другие проявления эффекта дальнодействия будут проиллюстрированы в следующем разделе.
Проявления эффекта дальнодействия и теоретические подходы
После ионного облучения материал, как правило, упрочняется; при этом, если
бы радиационно-поврежденный слой имел расчетную толщину, упрочнение сосредоточивалось бы в весьма тонком (порядка сотни ангстрем) слое и, конечно, не
имело бы практического значения, например, для трущихся деталей. Между тем
известно, что это далеко не так; упрочненный слой имеет значительные толщины,
что является основой одного из наиболее распространенных направлений радиационного модифицирования.
Изучение поперечных сечений облученных ионами образцов (или послойное
их стравливание) показывает, что микротвердость вблизи облученной поверхности существенно выше, чем в исходном материале, она уменьшается до исходного
значения лишь на глубинах в несколько микрон или даже десятков микрон. Такие
174
результаты получены многими авторами, однако, по-видимому, это явление может иметь различные причины. Так, например, в работе [9] было получено, что
после облучения ионами аргона поверхностные слои железа и никеля упрочнялись на глубину порядка 5 мкм (проективные пробеги в данном случае составляли
величины порядка 100 А). Подобные эффекты были получены как для поликристаллов, так и в монокристаллах [10]. Несовпадение многочисленных экспериментальных данных и глубины радиационного повреждения, предсказываемого
существующей теорией, не раз было предметом рассмотрения, однако, единое
мнение о природе данного явления пока не сформировано. Большинство авторов,
считая глубину проникновения радиационных дефектов твердо установленной,
ищут объяснения своим экспериментальным результатам в рамках существующей
теории. Чаще всего, предлагается два объяснения подобным наблюдениям. Вопервых, это появление напряжений в слое, поврежденном ионной бомбардировкой, в поле которых может происходить перемещение точечных дефектов, их
комплексов, различных дислокационных конфигураций в глубь материала. Иногда эти напряжения считают также причиной наблюдаемых фазовых превращений
при ионном облучении. Однако прямое исследование, выполненное различными
методами, во многих случаях показывает, что напряжения в слое незначительны
[11-13].
В качестве второй возможной причины эффекта дальнодействия называют радиационно-стимулированную диффузию [5]. Этот аспект также многократно рассматривался, однако вопрос о ее вкладе в сверхдальнее проникновение имплантированных ионов и радиационных дефектов нельзя считать решенным. Расчеты
показывают, что радиационное усиление диффузии зависит от интенсивности
потока, энергии ионов и свойств мишени, в расчет входят также коэффициент
диффузии дефектов и время жизни дефектов. В итоге должны получиться существенно отличные значения для различных ионов даже в случае одной и той же
мишени. Однако такой результат качественно противоречит многочисленным
экспериментальным наблюдениям.
Был предложен также принципиально иной механизм, описывающий сверхдальнее проникновение точечных дефектов в материал. Рассматриваются модели,
в основе которых лежит не парное, а кооперативное взаимодействие атомов вещества с энергичными частицами [14-16]. В этом случае фронт радиационного повреждения будет перемещаться существенно быстрее, чем при диффузионном
продвижении отдельных точечных дефектов. Так, в работе [11] предлагается аналитическое описание облучаемого вещества, при котором состояние системы выражается уравнениями, подобными уравнениям гидродинамики, что, по-видимому,
возможно в материале, сильно пересыщенном радиационными дефектами.
Достаточно полно разработана модель [16,17], авторы которой связывают
аномально далекое проникновение радиационных дефектов с развитием в веществе неравновесного фазового перехода, индуцированного облучением. Вблизи точки этого перехода подвижность дефектов становится аномально большой, поскольку следует учитывать взаимодействие дефектов между собой в условиях их
сверхравновесной концентрации. Это должно вызывать некие коллективные эффекты, при этом движение дефектов переходит из диффузионного режима в гидродинамический. Коллективные эффекты лежат также в основе моделей, предполагающих волновую природу эффекта [18-20].
175
В пользу коллективной природы дальнодействия можно привести еще следующие соображения. Несмотря на большое количество экспериментальных наблюдений, зависимость глубины проникновения от различных параметров материала и облучения исследована плохо. Тем не менее, очевидно, что эффект мало зависит от энергии ионов, зато весьма чувствителен к плотности потока, причем зависимость, по-видимому, имеет пороговый характер. Это не согласуется с классическими представлениями, зато подтверждает кооперативную природу эффекта.
В наших экспериментах мы получили еще одно подтверждение, указывающее
на коллективный характер процессов, вызывающих эффект дальнодействия, –
была установлена однозначная связь между данным эффектом и кинетическим
фазовым переходом, индуцированным облучением. При таком переходе образуются состояния вещества, характерные для открытой системы в нелинейной области
внешнего воздействия (диссипативные структуры). Ранее нами были опубликованы
результаты исследования таких переходов для металлических систем [21,22], в
следующем разделе некоторые из этих результатов также будут показаны.
Экспериментальные наблюдения эффекта дальнодействия
Микротвёрдость, *107 Па
Как уже говорилось, имеются многочисленные косвенные указания на то обстоятельство, что радиационные повреждения проникают значительно глубже,
чем это предсказывается существующими моделями. Такие наблюдения были
многократно зарегистрированы и в наших
экспериментах.
Так,
показано,
что
радиаци440
онное упрочнение простирается на глубины в
десятки микрон (при
400
расчетной
глубине
проникновения облучающих ионов и ра360
диационных точечных
дефектов на расстояния порядка сотни анг320
стрем). Подобные результаты получены для
весьма различных ма280
териалов. Так, как вид0,0125
0,025
0,045
0,07
0,095
но
из рис. 1, упрочнеРасстояние от облучённой поверхности, мм
ние в нимонике (сплаве Ni-Cr-Fe-Mo-Ti-Al)
Рис. 1. Радиационное упрочнение сплава типа нимоник
после облучения иона(Ni-Fe-Cr –Ti-Al) по сечению образца (Ar+, 20 кэВ,
ми аргона с энергией
1.5. 1018ион/см2, 600°С)
30 кэВ простирается не
менее, чем на 30 микрон; так же глубоко оказывается упрочненным твердый металлокерамический
сплав ВК8 (WC+Co) – рис. 2. Для этих двух существенно различных материалов
трудно предположить аналогичные объяснения наблюдаемого эффекта, например,
возникновение напряжений после ионного облучения, поскольку условия распространения таких напряжений, по-видимому, здесь весьма различны.
176
17
16
микротвердость,ГПа
15
14
13
12
11
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
d,мкм
Рис. 2. Радиационное упрочнение в твердом сплаве ВК8
по сечению образца (Ar+, 20 кэВ, 1.5. 1018 ион/см2, 500°С)
90
Далее, в тех случаях,
когда в результате
радиационно-индуцированных фазовых
превращений наблюдались изменения рентгеновской дифракционной картины, они также
были зарегистрированы
в глубоких слоях. Так,
например, в результате
ранее обнаруженного
нами
радиационноиндуцированного фазового перехода [21] линии дифрактограммы
раздваивались (рис.3).
Рис. 3. Дифракционные изменения в Fe-Cr-Ni сплаве,
полученные с помощью рентгеновского излучения с различной длиной волны
177
Как видно из рисунка, дифракционный эффект наблюдается при различной
длине рентгеновского излучения, при этом информативный слой изменяется, но
во всех случаях составляет несколько микрон. Регистрация данного дифракционного эффекта была бы невозможна, если бы радиационно-поврежденный слой
действительно имел глубину порядка сотни ангстрем, как предсказывает теория.
Наиболее наглядным и прямым
доказательством эффекта дальнодействия, обнаруженным в наших
экспериментах, является образование “радиационных белых слоев” –
слоев измененной травимости - на
поперечных сечениях облученных
ионами образцов. На рис. 4 показан
такой слой, полученный в стали
аустенитного класса.
Это четко очерченный слой,
существенно отличный от матрицы, причем, как показывает дозная
зависимость, явно радиационного
происхождения (толщина слоя
увеличивается с дозой облучения,
кроме того, слой не наблюдается с
Рис. 4. «Белый слой» толщиной 4 мкм (слой
необлученной стороны образца).
измененной травимости) на поперечном сечении
Слои измененной травимости заоблученного (Ar+, 30 кэВ, 1018ион/см2 , 4000С)
регистрированы также для сплаобразца сплава Fe-Cr-Ni
вов систем Fe-Cr и V-Ti-Cr, как
это видно из рис. 5 и 6.
Рис. 5. Слой измененной травимости на поперечном сечении облученного
(Ar+, 30кэВ, 1018 ион/см2, 5000С) cплава Fe-Cr
178
Рис. 6. Слой измененной травимости на поперечном сечении
облученного образца сплава V-Ti-Cr (Ar+, 30 кэВ, 1018ион/см2, 6000С)
Толщина данного слоя (порядка 20-30 мкм) существенно выше предсказываемого теорией, причем во всех случаях она совпадает с измеренной глубиной радиационного упрочнения.
Подобные слои наблюдались нами для самых разнообразных материалов, в
том числе, и для твердосплавного металлокерамического материала ВК8.
Еще один пример, указывающий на большую глубину радиационных повреждений, получен для сплава типа нимоник. Сплав предварительной термообработкой был приведен в состояние твердого раствора. Известно, что при старении
данного сплава образуется когерентно связанная с матрицей γ’-фаза, упрочняющая материал. При воздействии ионами аргона вблизи облученной поверхности
образовался слой выделений этой фазы (рис. 7), по-видимому, вследствие радиационно-стимулированного распада твердого раствора.
Рис. 7. Приповерхностный слой с радиационно-стимулированными
выделениями γ’- фазы (30 мкм) в сплаве типа нимоник
179
Слой, как и в предыдущих случаях, имеет четкую границу, толщина его 30
мкм, что совпадает с глубиной радиационного упрочнения (рис.1). Видно, что на
границе слой-матрица имеется небольшое повышение микротвердости, повидимому, связанное с напряжением из-за разности прочностных свойств данных
областей материала. На рентгеновской дифрактограмме вблизи пика основного γтвердого раствора имеется небольшой максимум, соответствующий γ’-фазе, что
подтверждает природу выделений.
Таким образом, при металлографическом исследовании поперечных сечений
образцов различных металлических материалов, облученных ионами, как нам
представляется, получены несомненные прямые доказательства существования
глубоких радиационно-измененных слоев, толщина которых на порядки превышает величины, предсказываемые теорией, понимание их природы требует дальнейшего тщательного исследования.
Рис. 8. Пространственно-организованные структуры в облученном сплаве
Fe-Cr (Ar+, 30 кэВ, 1.1018ион/cм2, 5000С), полученные методом
металлографии (а) и электронной микроскопии (б)
Ранее говорилось, что эффект дальнодействия мы наблюдали преимущественно в тех случаях и в тех интервалах радиационных параметров, где, при высоких
уровнях радиационного повреждения, формировались диссипативные структуры.
Так, на рис. 5 показан пример «радиационного белого слоя» в сплаве системы FeCr. Одновременно в этом же сплаве мы наблюдали признаки образования диссипативной структуры, в частности, пространственную организацию, причем проявляющуюся на различных масштабных уровнях. На рис. 8а показана пространственно - упорядоченная структура с характерным размером 3 мкм, зарегистрированная методами металлографии в некотором интервале радиационных параметров при высоких уровнях радиационного повреждения. В том же сплаве с помощью электронного микроскопа (характерный размер 500 А) также наблюдалась
пространственно - организованная структура (рис. 8б). Таким образом, образова180
нию диссипативных структур, являющихся результатом кооперативного отклика
системы на внешнее воздействие, сопутствует и эффект дальнодействия.
Эффект дальнодействия, кроме несомненного практического значения, играет
важную фундаментальную роль в развитии теории взаимодействия излучения с
веществом. Возможно, данный эффект есть внешнее проявление различных радиационно-индуцированных процессов, в зависимости от типа материала и уровня радиационного воздействия.
Совокупность приведенных фактов приводит к выводу, что в случае металлов
и при высоких уровнях радиационного повреждения в основе эффекта лежат радиационно-индуцированные кооперативные процессы, при которых реализуется
гидродинамическое течение в материале, пересыщенном точечными дефектами
(вакансионная плазма).
Выводы
1. Рассмотрены теоретические и экспериментальные аспекты эффекта дальнодействия при ионном облучении и приведены новые экспериментальные данные авторов, подтверждающие существование данного эффекта.
2. С помощью металлографического исследования поперечных сечений облученных образцов различных материалов обнаружены «радиационные белые
слои» – слои измененной травимости, прямо и однозначно иллюстрирующие эффект дальнодействия.
3. Высказано предположение, что природа эффекта дальнодействия связана с
кооперативными радиационно-индуцированными процессами в материале при
высоких уровнях радиационного повреждения, в частности, с течением вакансионной плазмы.
Работа выполнена при поддержке
Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 01-02-96011).
Литература
1. J.Lindhard, V.Scharff, H.E.Shiott. //Kgi.Dan.Vid.Selsk.Mat.- Fys.Medd. 1963.
V.33. № 14.P.1.
2. Томпсон М.// УФН. 1969. № 99. В.2. С.297.
3. Гусева М.И.// Поверхность. 1982. № 4. С.27.
4. Быков В.Н., Малынкин В.Г., Хмелевская В.С. // Вопросы атомной науки и
техники. Сер. Физика рад.повр. и рад.мат. 1989. В.3. С.45.
5. Мартыненко Ю.В.// Итоги науки и техники. Пучки зар.част. и тв. тело.
1993. Т.7.С.82.
6. Пивоваров А.Л. // Металлофизика и новейшие технологии. 1994. Т.16. №
12. С.3.
7. Бабад-Захряпин А.А., Лагутин М.И. // ФММ. 1987. Т.52. В. 7. С.95.
8. Кузнецов Г.Д. // МиТОМ. 1987. № 11. С.21.
9. Гольцев В.П., Ходасевич В.В., Углов В.В., Ковчур Ю.С.// Вести АН БССР.
1985. № 4. С.21.
10. Таран А.А., Батуричева З.Б., Чайковский Э.Ф.// Поверхность. 1988. № 2.
С.146.
11. Федоров А.В., Васильева Е.В., Владимиров Б.Г., Гусева М.И. и др.// Поверхность. 1983. № 8. С.123.
12. Duquette D.J. and Krutenat R.C. //Phil.Mag. 1971. V.24.P.1411.
181
13. Черников В.Н., Захаров А.П.// Поверхность. 1984. № 2. С.79.
14. Левинсон И.Б., Маслов Д.Л. Поверхность. 1987. № 4. С.5.
15. Девятко Ю.Н., Тронин В.Н. // Всес. конф. “Модиф. свойств констр. мат.
пучками зар.част.” Томск. 1988. Ч.II. С.86.
16. Девятко Ю.Н., Рогожкин С.В., Тронин В.Н. //Вопросы ат.науки и тех., Сер.
Физ.рад. повр. и рад.мат. 1988.В.1(43). С.24.
17. Девятко Ю.Н., Тронин В.Н.// ДАН СССР. 1983. Т.269. С. 97.
18. Инденбом В.Л.// Письма в ЖТФ. 1979. Т.5. В.8. С.489.
19. Tetelbaum D.I., Kurilchik E.V., Latisheva N.D. // Nucl. Instrum. And
Meth.Phys.Res.B. 1997.V.127-128. Р.153-156.
20. Кривелевич С.А. // Высокочист. вещества 1995. № 4. С.109.
21. Khmelevskaya V.S., Malynkin V.G. // Phase Transitions. 1997. V.60. P.59.
22. Хмелевская В.С., Малынкин В.Г. // Материаловедение. 1998. Т.2. С.25.
182