строение (557054), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Наиболее полно экспериментально и теоретически изучено воздействие нейтронных потоков. Эффект радиационного воздействия более сильный у металлов с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой, чем у металлов с о. ц. к. и г. п. у. решетками. Воздействие радиационного облучения приводит к следующим изменениям в структуре материала: повышению концентрации точечных дефектов; возникновению термических пиков; ионизации атомов (отрыв электрона с внешней электронной оболочки или перевод его на более высокий энергетический уровень); возникновению искусственной радиоактивности материала. Частота первичных взаимодействий зависит от плотности потока облучения, индекса плотности материала и .микроскопического поперечного сечения захвата.
Первичные соударения частиц с атомами в узлах кристаллической решетки смещают и возбуждают другие атомы (вторичное соударение). В результате упругого соударения частицы с атомом 166 первая теряет часть кииетической энергии, зависящей от уройнй энергии частиц, масс взаимодействующих частиц и атомов, а также от условий этого взаимодействия. При этом, если атом приобретает энергию Е„превышающую энергию, необходимую для его смещения Е„он покидает свое место в узле кристаллической решетки и переходит в междоузлие. Часто такой атом транслируется на несколько периодов решетки прежде, чем остановится в междоузлии. В результате перемещения атома из узла в междоузлие образуется «пара Френкеля» (смещенный из узла в междоузлие атом и вакансия в освобожденном атомом узле решетки).
Энергия Е„сообщаемая атому частицей при упругом соударении, при условии сохранения импульса и энергии равна 4ЕМа (М+ а)~ (16) где Е и и — энергия и масса частицы; М вЂ” масса взаимодействующего с частицей атома. Это выражение справедливо для частиц, движущихся со скоростью, меньшей скорости света (протоны, нейтроны и др.). Формула (12) показывает, что облучение тяжелыми частицами должно приводить к более существенному повышению дефектности кристаллического строения. В случае облучения частицами, скорости движения которых соизмеримы со скоростью света (электроны), выражение (16) запишется: 2Е (Е+ 2аС~) МС~ (!7) где т — масса покоя электрона; С вЂ” скорость света.
Зависимость величины энергии, передаваемой атомам различных элементов электронами, от энергии электрона приведена на рис. 104. Г1унктирная линия (горизонтальная) соответствует ориентировочному значению энергии смещения Е, = 4,0 аДж. При этом значения энергии смещения в выражениях (16) и (17) можно использовать для расчета минимальной энергии облучения, необходимой для образования устойчивых дефектов кристаллического строения.
В табл. 6 приведены значения Е, для различных атомных весов вещества мишени и различных бомбардирукхцих частиц при Е, = 4,0 аДж. Порядок величины Е, можно установить следующим образом, Энергия сублимации у твердых тел с наиболее прочными связями равна 0,8... 0,96 аДж. Однако при уходе из кристаллической решетки поверхностных атомов (сублимация) происходит разрыв только половины межатомных связей (рис. !05). В то же время для удаления атома из сердцевины требуется разрыв вдвое большего количества связей, т.
е. требуется энергия, вдвое большая энергии сублимации. При необратимом внедрении атома из узла в междо- сл, йлм 0000 7»У 0 0 0 47 44»г йт бм 47 йгл албвтул зяекпрлло,паж Рнс. !Эс. Зависимость максимальной энергии, сообщасмов атомам различима элементов. от энергии бомбарлнрующсто электрона Рис. !Об. Разрыв мажатомныл связей ири сублимации т= теехр(й(7!Рт"й Атомный вес вещества мящвии ю ~ бо ! пю ~ ям Облучение вщ дж 2021 520 1,! 45 Нейтроны, протоны ы-Ч астицы Т-Частицы, электроны Осколки деления с массой 100 520 146 0,41 45 ! 021 271 0,68 40 122 50 0,1 122 Сп Еп 3 0,10-а 1 41,10-» 1,02 1О тз 2,63.10 'в 169 узлне необходима энергия, которая превышает энергию сублнмацнн минимум в 4 раза, что н соответствует 3,2...
4,8 аДж. Прн облучении злектронамн на один бомбарднрующнй электрон с энергией О,!6 пДж приходится одна «пара Френкеля», в то время как одна тяжелая частица с той же энергией смещает сотни атомов, а нейтрон — несколько тысяч атомов (однн нейтрон в монокрнсталле алюминия создает 6000 «пар Френкеля»). Проникающая способность рентгеновских н у-лучей велика, однако электромагнитное излучение малоэффективно, так как масса покоя фотонов равна нулю.
Прн облучении у-лучамн смещение создается за счет внутренней бомбардировки комптоновскнмн электронами нлн фотоэлементами, поэтому оно менее существенно, чем смещение, получаемые прн бомбардировке электронами. Однако, вследствие большой проннкающей способности у-лучей, нх воздействие на структуру прнблнзнтельно соответствует электронному. Особенно сильное влияние на свойства металлов н сплавов оказывают нейтроны, проникающая способность которых высока, поскольку онн не несут электрического заряда. Т а б л и ц а 5.
Влияние характера облучения н атомного веса вещества мишени иа энергию облучения, при которой достигается энергия Ес = 4,0 аДж Прн облучения тяжелыми частицами с высокой энергией возникает каскад смешений, среднее число которых можно оценить с помощью следующей зависимости: и, = 477по7»', где п, — число смещенных атомов в единице объема; 47 — плотность потока бомбарднрующнх частиц; л, — время облучения; 7 — сеченне столкновеннй (в расчете на атом), приводящих к смещению; )у — среднее число смещений, приходящихся на каждый первично смещенный атом.
Приближенное значение 1» определяется выражением )У =- = Ес»72Е„где Е',о — средняя знергня, передаваемая бомбарднрующей частицей атому прн первичном столкновении. Для нейтрона Е;р = 0,5 Е,', а для заряженных частиц определяется более сложным образом, Ниже приведены значения )г для нейтронов со средней энергией 0,16 пДж: Элемент ... ге Сп Ое Ап Атомный вес 56 64 93 197 Г . .
. . . . 390 380 290 140 Прн увелнченнн массы мишени уменьшается число вторичных смещений, а следовательно, н концентрация точечных дефектов типа «пар Френкеля», Скорость образования вторичных смещений атомов, а следовательно, н повышение концентрации точечных дефектов проще всего определить по изменению удельного электросопротнвлення материала. Расчетная величина У прн облучении нейтронами оказалась на порядок выше экспериментальной, так как в теоретических расчетах не учитывались потери знергнн смещающихся атомов на ноннзацню. Прн нейтронной бомбардировке в местах соударений возникают термические пики, время жизни которых т = 0,5 10 —" с, локализованные в областях диаметром 1... 10 нм (рнс.
106). Зтн области в ряде случаев представляют собой расплавленные участки, где произошло плавленне с последующей крнсталлнзацней. Период оседлой жизни атома в жидкой фазе (время, в течение которого существует ближний порядок в жидкости) равен где т, — период собственных колебаний атома; ЬУ вЂ” теплота нспарення.
Ниже приведена вероятность образования жидкой фазы в зоне действия температурного пика для различных металлов: Элемент,...,.... и! Мо т, с; при 1 = !лл, К .. 2 75.10-а 57.10 — з при Т =- 10', К, 1,23 10 — то 8,2 10 " За, Д/770 дти,дбрзс(ну 407770 ж' ю' урт др р ур ж' уру/айни тя -Яуамб ЫР Р 0Р УРР Уго(;с Рнс. (07. Злнянме раднацнонкого облучения на по. вмщеняе порога хладноломкостн металлов Рнс.
(Об. Терннческня пнк в металле, вазннкающня прн бомбарднровке его яеятронамн Рнс. (00. Вляянне раднацнонного облучения на нвмеяенне механнческяя свойств металлов Рнс. (09. Изменение прочностн веоблученного ((( н облученно- га (у( полкэтнлена Атом будет находиться в жидкой фазе, если период его оседлой жизни будет меньше времени действия температурного пика. Атомы вольфрама и молибдена, находящиеся в зоне действия термического пика, не перейдут в жидкую фазу, однако в цинке и меди возникцут области локального плавления.
Прохождение через твердое тело заряженных частиц вызывает интенсивную ионизацию и возбуждецне электронов. В металлах эффекты ионизация быстро нейтрализуются электронами проводимости и не сказываются заметно на изменении физико-химических свойств. Радиационное облучение изменяет механические и магнитные свойства, удельное электросопротизление, теплопроводность. Одним нз наиболее неприятных явлений, вызываемых радиационным облучением, является охрупчивание материала, повышение его порога хладноломкости (рнс. 107). Так, порог хладноломкости молибдена после нейтронного облучения повышается на 50 ., „ 100 К, а также снижается абсолютное значение ударной вязкости (кривая 2).
Изменение механических характеристик металла под влиянием облучения показано на рис. 108. С увеличением дозы облучения повышается предел текучести (о,), в меньшей степени предел прочности (ов), истинное сопротивление разрыву (Я„) меняется мало, удлинение при разрыве уменьшается (доза облучения возрастает при переходе от кривой растяжения / к кривым 2, 3, 4). Повышение прочности металла после облучения объясняется упругим взаимодействием полей напряжений дислокаций и дефектов, наведенных облучением, и электрическим взаимодействием, связанным с перераспределением электронов, возникающим при любых объемных изменениях. Энергия упругого взаимодействия дислокаций с междоузельными атомами равна 0,0192... 0,0352 аДж, с вакансиями— 0,0064...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
