ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 12, с. 65-70
УДК 539.1.013:669.018.44
РАДИАЦИОННАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ И СВОЙСТВА АМОРФНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМ Со-Ре-81-Б И Ре-Сг-Б, ПОЛУЧЕННЫХ ЗАКАЛКОЙ ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ
© 2004 г. В. Г. Малынкин1, В. С. Хмелевская1, В. С. Крапошин2, И. А. Антошина1,
М. А. Маряхин1
1Обнинский государственный технический университет атомной энергетики, Обнинск, Россия 2Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Поступила в редакцию 10.10.2003 г.
Методом рентгеновской дифрактометрии исследовалась радиационная кристаллизация аморфных материалов на основе Ре-Сг-В и Со-Ре-81-В, полученных закалкой из жидкого состояния. Установлено, что кристаллизация под воздействием ионного облучения наблюдается при меньших температурах по сравнению с кристаллизацией термической. Показано, что кристаллизация сопровождается образованием фаз, не характерных для данных систем, а также значительным повышением микротвердости. Полученные результаты интерпретируются с позиции формирования под облучением икосаэдрических кластеров.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование стабильности аморфных сплавов имеет важное практическое значение, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, для выявления режимов надежной эксплуатации изделий из этих материалов, в том числе в условиях ионизирующих излучений, важно знать температуру их кристаллизации. Во-вторых, последние исследования показали, что между аморфными и кристаллическими материалами существует гамма неравновесных структур, обладающих более высокими эксплуатационными свойствами по сравнению как с кристаллическими, так и с аморфными материалами. При этом есть веские основания полагать, что обработка специально приготовленных для этой цели металлических стекол ионными пучками является наиболее тонким методом воздействия при переходе от аморфных к кристаллическим структурам, так как позволяет очень четко контролировать температуру, интенсивность и уровень радиационного воздействия.
К настоящему времени имеется довольно ограниченное число работ, посвященных воздействию ионизирующих излучений на структурно-фазовые изменения в аморфных материалах и корреляции этих изменений с изменениями физико-механических свойств. При этом однозначного представления о природе и механизме фазовых превращений, а также изменений физико-механических свойств при облучении не установлено.
Авторы работ [1, 2], исследовавшие облученные быстрыми нейтронами (при температурах ниже температуры термической кристаллизации) аморфные сплавы (Моа6Ки0.4)82В18 и Рё80Б120, об-
наружили, что эти сплавы остаются аморфными до флуенсов 1 х 1018 н/см2 соответственно. При этом пластичность сплава Рё80Б120 практически не изменяется, в то время как пластичность сплава (Мо0.6Яи04)82В18 увеличивается. Имеются также сообщения о сохранении пластичности в сплаве после облучения ионами Аг+ и Кг+ [3].
Пластичность сплава Ре40№40Р14В6, который перед облучением термически был переведен в хрупкое состояние, полностью восстанавливалась после облучения нейтронами флуенсом 1 х 1019 н/см2 при 45°С [4].
В то же время в литературе имеются сообщения о снижении стабильности аморфного состояния в сплаве Ре40№40В20, облученном нейтронами при 120°С в интервале флуенсов (1-6.5) х 1019 н/см2. Потеря стабильности аморфного состояния сопровождалась охрупчиванием и повышением точки Кюри этого сплава [5].
Более детальные исследования, проведенные авторами работы [6] с образцами сплава Ре40№40В20, показали, что склонность к охрупчиванию под облучением в значительной мере зависит от предшествующей термической обработки. Пластичность образцов, полученных в результате быстрой закалки, сохранялась после облучения до флуенса 2.5 х х 1018 н/см2 при температуре ~70°С, после чего резко снижалась. Пластичность образцов, подвергнутых после быстрой закалки отжигу в течении 43 ч при температуре 280°С и находящихся в охрупченном состоянии, после нейтронного облучения до флуенса 2.5 х 1017 н/см2 практически полностью восстанавливалась и далее оставалась неизменной до флуенса 2.5 х 1018 н/см2. Дальнейшее
(а)
Бе-Сг
(б)
200°С
Бе-Сг
450°С
500°С
700°С
61.9
68.6 75.2 20, град
61.9
68.6 75.2 20, град
Рис. 1. Дифрактограмма образцов сплава Ре67Сг^В15 в облученном (а) и отожженном (б) состояниях.
увеличение флуенса нейтронов приводит к снижению пластичности по зависимости, практически идентичной аналогичной зависимости в закаленных образцах.
Охрупчивание в многокомпонентных сплавах состава Бех№80 _ х Р14В6, где 20 < х < 34, было зарегистрировано после облучения протонами с энергией 0.25 и 2.25 МэВ до дозы 1016 ион/см2 при температуре ~40°С [7 ]. В работе отмечается, что с увеличением дозы облучения до 1016 ион/см2 имеет место повышение температуры Кюри, величина которой немонотонно зависит от содержания Бе и N1.
Основной целью настоящей работы являлось сравнение процессов кристаллизации аморфных сплавов на основе Бе и Со при ионном облучении, а также корреляции этих процессов с изменениями физико-механических свойств.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Сплавы составов Бе67Сг18В15, Со85Бе5318В2 и Со59Бе5№9Сг28113В12 получали методом спинниго-вания в виде ленты толщиной 30-50 мкм. Согласно результатам рентгенографического анализа, в состоянии поставки они были полностью аморфны. В дальнейшем образцы облучались ионами Аг+ с энергией 25-30 кэВ в интервале температур 20-500°С до доз (0.5-1.5) х 1018 ион/см2. Интенсивность ионного потока составляла ~ 1014 ион/см2 • с. Температура облучения контролировалась термопарой.
Структурные исследования облученных образцов проводились с помощью рентгеновской ди-фрактометрии с использованием Сг^а-излучения. Оценка изменения механических свойств осуще-
ствлялась методом измерения микротвердости, что является наиболее приемлемым методом для ионно-имплантируемых систем. Для оценки изменений в электронной подсистеме облученных образцов проводились измерения термоэдс. В эксперименте использовался интегральный метод измерения [8] на приборе, сконструированном на основе микротвердомера, в который вместо индентора вмонтирована вольфрамовая игла с нагревателем. Место контакта этой иглы с поверхностью образца представляло собой горячий спай.
Для выявления роли радиационной составляющей аналогичные исследования проводились с образцами всех трех сплавов, подвергнутых изотермическим отжигам в вакууме в интервале температур 200-700°С в течение одного часа.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенных экспериментов было установлено, что все исследованные нами аморфные материалы под воздействием ионного облучения претерпевают существенные структурно-фазовые изменения, о протекании которых можно судить по характерным изменениям рентгеновской дифракционной картины.
На рис. 1 представлены дифрактограммы образцов сплава Бе67Сг18В15 в исходном, облученном и отожженном состояниях. Из рисунка видно, что рентгенограмма образцов в исходном состоянии представляет собой диффузное гало. Облучение образцов ионами Аг+ до дозы 1.5 х 1018 ион/см2 в интервале температур 20-200°С не приводит к заметным изменениям дифракционной картины (рис. 1а). На дифрактограмме образцов, облученных при 250°С, присутствуют ярко выраженные рентгеновские рефлексы, что однозначно свидетельствует о начале процесса кристаллизации. При дальнейшем увеличении температуры облучения кристаллизация ускоряется. Как видно из рисунка, интенсивность дифракционных рефлексов возрастает, а их полуширина уменьшается при той же дозе облучения (при том же времени радиационной обработки).
Идентификация дебаеграмм позволила с уверенностью утверждать, что образовавшиеся фазы соответствуют твердому раствору систем Бе-Сг и метастабильной фазе Бе3В.
Изменения дифракционной картины при кристаллизации сплава Бе67Сг18В15 в процессе термических выдержек в целом не отличается от кристаллизации под облучением. Как видно из рис. 16, на рентгенограмме образцов, отожженных при 500°С в течение одного часа, присутствуют рефлексы твердого раствора системы Бе-Сг и метастабильной фазы Бе3В.
Микротвердость, ГПа 16
14
12
10
100 200 300 400 500
Температура облучения, °С
Микротвердость, ГПа
16
14
12
10
(б)
Необлученный
200 300 400 500 600 700 Температура отжига, °С
Рис. 2. Изменение микротвердости облученных (а) и отожженных (б) образцов сплава Ре67Сг^В15.
(а)
СоВ
Исходный
Со
100°С
200°С
60
70 80
20, град
(б)
Со СоВ
250°С
300°С
250°С
400°С
300°С
500°С
400°С
60
70 80
20, град
Рис. 3. Дифрактограмма образца сплава Со85ре5Б18В2 в облученном (а) и отожженнном (б) состояниях.
Однако начало процесса кристаллизации при термических выдержках сдвигается на ~250°С в область более высоких температур относительно начала кристаллизации при облучении. После отжига при 700°С линии Бе3В исчезают, т.е. борид растворяется.
Измерения микротвердости облученных и отожженных образцов сплава Бе67Сг18В15 показали, что структурно-фазовым изменениям сопутствует упрочнение (рис. 2). Из рисунка видно, что максимум микротвердости облученных ионами Аг+ до дозы 1.5 х 1018 ион/см2 образцов соответствует температуре облучения 350°С, что на 100°С выше, чем температура, при которой появляются первые дифракционные линии, указывающие на начало процесса кристаллизации. При отжиге максимальная микротвердость наблюдается при температуре кристаллизации.
Такое различие во взаимосвязи микротвердости и фазовых превращений в облученных и отожженных образцах, по-видимому, можно объяснить двумя причинами: определяющим влиянием на величину микротвердости размера частиц кристаллической фазы; различием схемы кристалли-
зации под облучением и при термических выдержках.
Результаты рентгеновских исследований многокомпонентных сплавов на основе Со в облученном и отожженном состояниях представлены на рис. 3-5. Из рисунков видно, что при облучении, подобно сплаву на основе железа, кристаллизация начинается при более низкой температуре, чем в процессе отжига. Сдвиг составляет 200 и 300°С для сплавов Со85Б
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.