Вплив опромінення на властивості.

Радіаційне “ушкодження”.

Види “ушкодження”.

Вплив опромінення на властивості.

7.1. Радіаційне “ушкодження”

З розвитком атомної техніки з’явились нові методи дії на метали, що викликають зміну їхньої структури. Мова йде про вплив частками досить високої енергії, який не можна звести до явищ, пов'язаних із підвищенням теплової енергії. Ці явища звичайно характеризують поняттям “радіаційного ушкодження”, хоча у даному випадку слово “ушкодження” не зовсім підходить. Звичайно доводиться рахуватися із впливом таких видів опромінень:

1) електромагнітного – у вигляді рентгенівських або g - променів;

2) легкими зарядженими частками (електронами);

3) важкими зарядженими частками (протонами, a - частками і т.д.);

4) важкими нейтральними частками (нейтронами).

Впливом космічних променів можна знехтувати, оскільки питання про їхній вплив на метали досить докладно не досліджувалось. Ефект опромінення залежить від енергії, маси і заряду частки, а також від числа часток, що проникають через одиницю маси досліджуваного матеріалу. Енергію часток прийнято звичайно виражати в електрон-вольтах (ев, кев або Мев); заряд обчислюють в одиницях заряду електрона, а
масу - в одиницях маси протона (для важких часток) або маси електрона.

7.2. Види “ушкодження”

Вплив випромінювань на будову речовини зводиться головним чином до трьох явищ: іонізації, зіткненню часток та їх діленню.

Вплив іонізації. Наближення зарядженої частки до атома може призвести до переміщення електронів із їх звичайних енергетичних рівнів на більш високі, при цьому можлива іонізація атомів. Це важливо для матеріалів, у яких електрони позбавлені свободи руху; у металах же подібний зсув електронів швидко призводить до рівноважного стану, тому яких-небудь наслідків такого процесу не спостерігається і ефекти іонізації металів істотної ролі не відіграють.

Наслідки зіткнення часток.Частки, що рухаються всередині кристала, впливають не тільки на електрони, але й на самі атоми (або іони). Сила цього впливу знаходиться в дуже складній залежності від відстані між іонами і часткою. У зв'язку з цим доцільно приписати кожному іону в кристалі певний поперечний переріз. Якщо частка, що рухається, проходить через цей поперечний переріз, то відбувається зіткнення. Якщо ж вона через цей переріз не проходить, то її траєкторія залишається незмінною, за винятком того, що рух буде пов’язаним із розсіюванням енергії внаслідок іонізації. Розмір поперечного перерізу залежить від швидкості, заряду і маси частки, що співударяється. Він малий для швидких часток і зростає зі зменшенням швидкості частки. Поперечний переріз для заряджених часток повинен бути більшим, ніж для нейтральних.

Температурні піки. Коли атом у кристалі зіштовхується з часткою високої енергії, він миттєво набуває енергії, яка у багато разів переважає його теплову енергію. Тому він уже не знаходиться в рівновазі зі своїми сусідами, а його надлишкова енергія швидко передається іншим прилеглим атомам. Область, у якій відбувається збурення такого роду, називається областю “температурного піка”. Існують температурні піки двох видів: “піки зміщення”, при яких енергія достатня для того, щоб перемістити в гратці значне число атомів із їхніх вузлів у міжвузловини, і “термічні піки”, при котрих лише окремі атоми залишають свої вузли у гратці.

Термічні піки. З кількісної точки зору цікаво розглянути термічний пік. Припустимо, що кількість наданої атому енергії відповідає приблизно 300 ев. Якщо ця кількість енергії раптово звільняється десь у середовищі, яке має теплові властивості наприклад міді, то внаслідок теплопровідності відвід тепла буде таким, що спочатку температура виявляється винятково високою, але вона утримується дуже недовго.

Інша специфічна особливість полягає в тому, що цієї енергії досить для підвищення температури усередині сфери, що містить близько 1000 атомів міді, від кімнатної до температури плавлення. Такої ж кількості тепла було б досить для розплавлення об’єму, що містить близько 700 атомів міді (проте це плавлення не могло б відбутися реально, тому що час, протягом якого матеріал знаходиться при температурі вищій від точки плавлення, складає всього лише 5×10^-12 с. Розсіювання тепла й охолодження відбуваються надзвичайно швидко, і через 2×10^-11 с температура ніде не перевищує 150 ^оС.

При наведених вище міркуваннях було прийнято, що область температурного піка має сферичну форму. Проте якщо частка високої енергії здійснює ряд зіткнень з атомами, близько розташованими один біля одного, то окремі сферичні області можуть перекриватися, в результаті чого їхня форма стає циліндричною. Швидкий нейтрон, що рухається через кристал важкого елемента, може вибивати атоми, які в свою чергу зіштовхуються з іншими атомами через кожні кілька ангстремів, і розсіювати сотні електрон-вольт енергії на один ангстрем пробігу. Циліндрична область спалаху, яка утворюється, через 10^-12 с буде мати довжину ~ 1000 Å і діаметр біля 25 Å.

Незалежно від того чи відбувається плавлення в зоні теплового спалаху, цей спалах супроводжується тепловим розширенням, в результаті чого навколишній матеріал попадає під дію високих напруг Це може призвести до зародження дислокацій на самій початковій стадії виникнення температурного спалаху, коли градієнт температури ще дуже великий. Дислокаційні петлі, що утворюються, можуть зникати разом із зникненням піка, але, ймовірніше всього, цьому буде перешкоджати перетин цих петель.

Піки зміщення. Теорія постулює, що в області піка зміщення первинні атоми, вибиті із вузлів, мають досить високу енергію, щоб у свою чергу вибивати значне число інших атомів у міжвузловини гратки. Схематичне уявлення про піки зміщення такого типу дає рис. 8.1. Такий пік повинен відповідати локальному випаровуванню, за яким слідує конденсація усередині порожнини, що утворюється, яка може буди частково заповненою. В результаті цього у чистому металі виникають області, що містять деяке число дислокаційних петель, а також, деяку кількість атомів, що знаходяться у міжвузловинах, і вакансій; для упорядкованого сплаву або проміжної фази в області піка зміщення повинно спостерігатися деяке порушення порядку розподілу атомів різних сортів. Пік зсуву повинен також сприяти розчиненню кристалів проміжних фаз в оточуючому матеріалі.

Ефекти розподілу. При зіткненнях розглянутих типів число атомів і їхня хімічна природа залишаються незмінними. Проте спостерігаються важливі випадки, коли при зіткненні відбувається поділ даного атому на два більш легких атоми. Це супроводжується звільненням великої кількості енергії і випромінюванням, хоча б у деяких випадках, більш швидких нейтронів.

Рис. 7.1.

Схематичне зображення піка зміщення (за Брінкманом) - атом у нормальному положенні; - атом у міжвузловині; шлях первинної частки; шлях первинного осколка

7.3. Вплив опромінення на властивості

Опромінення без поділу. Деякі властивості металів змінюються в результаті опромінення, яке не супроводжується поділом, причому ці ефекти обумовлюються, температурними піками.

Питомий електричний опір. Електричний опір металів при опроміненні такими швидкими частками, як нейтрони, незмінно зростає, але залишається постійним при іонізуючому опроміненні. Залишковий (структурно-чутливий) опір і являє собою ту частину, що змінюється під впливом опромінення. Оскільки ефекти опромінення спонтанно зникають при певній температурі, опромінення і вимірювання електричного опору необхідно робити при низьких температурах.

Пружні властивості. значне зростання модуля Юнга (порядку 10-20 %) спостерігалося для міді; воно супроводжувалося значним зменшенням внутрішнього тертя, очевидно внаслідок закріплення дислокацій точковими дефектами.

Пластична деформація. Нейтронне опромінення значно впливає і на пластичну деформацію. Критична зсувна напруга для монокристалів деяких металів дуже різко зростає. Це погоджується з положенням про те, що дислокації в металах закріплюються осідаючими на них вакансіями або атомами, що знаходяться у міжвузловинах.

У полікристалічних зразках сплавів не дуже чистих металів вплив нейтронного опромінення на форму кривої напруга - деформація буває іноді винятково значним. Ступінь наклепу при деформації у порівнянні з неопроміненим металом зростає, а пластичність відповідно спадає. Всі ці ефекти можна пояснити існуванням перешкод переміщенню дислокацій, створюваних, очевидно, конденсацією вакансій. Найбільше важливим ефектом опромінення матеріалу виявляється поява різкого “зуба” плинності, виникнення якого звичайно пов'язане з блокуванням дислокацій внаслідок дуже високої локальної концентрації домішкових атомів. У цьому випадку блокування є наслідком осадження вакансій на дислокаціях.

При опроміненні змінюються і інші механічні властивості. Так, наприклад, дуже чутливою до опромінення є ударна в'язкість, що знижується в результаті опромінення;

Дифракційні ефекти. Радіаційне ушкодження можна виявити за двома рентгенівськими ефектами: відображення звичайно зміщуються і стають менш різкими; дифузійне розсіювання підсилюється. Щоб виявити ці ефекти в металах, опромінення необхідно проводити при дуже низьких температурах. При опроміненні міді поблизу 12 К відносна зміна параметра гратки склала 10^-4.

Дія опромінення, що супроводжується поділом. При наявності поділу зазначені вище ефекти ускладнюються внаслідок: а) зростання числа атомів; б) зміни хімічної природи атомів, що виникають при поділі; в) виникнення всередині матеріалу, що опромінюється, швидких часток (нейтронів).

В урані, для котрого ці ефекти були вивчені, складна кристалічна структура створює анізотропію властивостей. Найбільш важливий ефект - зміна форми, що спостерігається при опроміненні і поділі; у ромбічній гратці розміри збільшуються в напрямку [010], зменшуються в напрямку [100] і залишаються без зміни в напрямку [001]. Масштаби подібної зміни дуже великі: коли поділ здійснюють 0,2% всіх атомів урану, подібне розширення (або стиснення) стає майже дворазовим. Густина змінюється порівняно мало. Ефект, що отримується на полікристалічному зразку, залежить значною мірою від розміру кристалів і ступеня дезорієнтування. Розміри дрібнозернистого зразка зі статично рівномірною орієнтацією кристалів змінюються в процесі опромінення незначно, тоді як грубозернистий уран із сильно вираженою переважною орієнтацією змінює свої розміри надзвичайно анізотропно.