СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.371:539.12.043
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ а-ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Cu-Al ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ ОБЛУЧЕНИИ И ПОСЛЕДУЮЩЕМ ОТЖИГЕ © 2013 г. П. В. Петренко, Н. П. Кулиш, Н. А. Мельникова, Ю.Е. Грабовский
Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, физический факультет, 03680 ГСП, Киев 127, просп. Акад. Глушкова, 4, Украина e-mail: grayu@bigmir.net Поступила в редакцию 09.01.2013 г.; в окончательном варианте — 30.04.2013 г.
Методами рентгеновского структурного анализа и остаточного электросопротивления изучено влияние электронного облучения в области 250—330 К на структурно-фазовое состояние твердого раствора Си—15 ат. % Al. Полученные результаты объяснены наличием в сплавах Cu—Al неоднородного ближнего порядка двух типов: низкотемпературного а2-типа и высокотемпературного типа у2.
Ключевые слова: сплав Си—А1, электронное облучение, ближний порядок, остаточное электросопротивление, диффузное рассеяние рентгеновский лучей, кластеры.
DOI: 10.7868/S001532301312005X
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что при радиационном облучении упорядочивающихся твердых растворов в зависимости от условий облучения и исходного состояния сплава могут наблюдаться процессы упорядочения, разупорядочения либо одновременно упорядочения и разупорядочения.
При электронном облучении разупорядочение сплавов в основном связано с двумя механизмами: последовательного смещения атомов при столкновении первично выбитого атома с атомами решетки и некоррелированного замещения атомов при случайной рекомбинации вакансия — внедренный атом. Упорядочение обусловлено миграцией введенных радиацией дефектов и связанных с ними перемещениями атомов сплава. Процессы разупорядочения протекают независимо от температуры облучения, в то время как упорядочение только при температурах, при которых происходит термически активированная миграция радиационных дефектов. Поэтому в равновесном состоянии степень упорядочения таких сплавов не зависит от исходного состояния и определяется только скоростью введения радиационных дефектов и температурой облучения.
Многими исследованиями показано, что при температурах ниже 70—50 К миграция дефектов, обусловливающая изменение конфигурационного распределения атомов сплавов, очень мала, поэтому дальний порядок при облучении может
быть полностью разрушен [1—4]. Естественно, при этих условиях облучения предварительно упорядоченных отжигом сплавов изменение структурно чувствительных характеристик, например, остаточного электросопротивления р0, достигает максимальной величины.
При последующем отжиге облученные сплавы, пройдя через ряд промежуточных стадий, возвращаются в исходное состояние.
Поведение сплавов, склонных к ближнему упорядочению, при низкотемпературном облучении, менее однозначно. В одних сплавах (например, Cu—Zn [5]) и остаточное электросопротивление при облучении заметно увеличивается, в других (Cu-Al [6-8], Ag—Al, Cu-Mn [6], Cu-Ni [9]) - как при электронном, так и при нейтронном облучении прирост р0 очень мал (менее 0.1%). В то же время при последующем отжиге таких сплавов изменение р0 в десятки раз больше, чем при облучении.
Отметим, что во всех приведенных здесь сплавах при образовании ближнего порядка остаточное электросопротивление уменьшается. Поэтому при низкотемпературном облучении величина прироста остаточного электросопротивления определяется как вводимыми радиацией дефектами, так и разрушением ближнего порядка. Однако, не смотря на это, суммарный прирост р0 при облучении этих сплавов в сотни раз меньший, чем при разрушении ближнего порядка закалкой от высо-
ких температур или низкотемпературной пластической деформацией. Так, при деформации в жидком азоте увеличение р0 сплава Л§-15 ат. % А1 достигает 24% [10], а сплава Си—15 ат. % А1 даже 50% [11] (при закалке (Др/р0)тах ~ 7%). Кроме того, кинетика восстановления ближнего порядка при отжиге облученных сплавов отличается от кинетики в закаленных либо деформированных сплавах не только величиной изменения р0 на отдельных стадиях, но и температурами соответствующих стадий.
Следует отметить, что изменение структурно-фазового состояния на мезоскопическом уровне макроскопически однофазных сплавов и связанных с ними изменений физических свойств при низкотемпературном облучении и последующем отжиге изучалось в основном резистометрпче-скими методами. Прямые структурные методы, как правило, не использовали. В настоящее время отсутствует убедительное объяснение природы указанных и ряда других особенностей (о чем будет идти речь в дальнейшем) в изменении свойств сплавов с ближним порядком при радиационном облучении. Предположение ряда авторов о том, что низкотемпературное облучение не влияет на строение и степень ближнего порядка [6, 9, 12, 13], не соответствует результатам многих исследований. Между тем, подобные исследования представляют не только теоретический интерес, но являются важными в прикладном отношении. Достаточно указать, что образование в твердых растворах ближнего порядка стимулирует аннигиляцию радиационных точечных дефектов путем взаимной рекомбинации, что существенно увеличивает их сопротивляемость к радиационному распуханию [14, 15].
Особый интерес из приведенных выше сплавов представляют а-твердые растворы Си—А1. Они технологичны, сравнительно дешевые и поэтому их широко используют на практике. Их свойства, в том числе изменение строения ближнего порядка при термическом и механическом воздействии при сравнительно высоких температурах, хорошо изучены ранее [16—18]. Полученные результаты, по нашему мнению, дают возможность подойти к рассмотрению природы радиационных повреждений в этом сплаве с позиций, которые ранее не учитывались.
Было показано [6, 8], что при облучении сплава Си—15 ат. % А1 электронами с энергией Е = 1 МэВ флюенсом Фt = 1.8 х 1017 см-2 и Е =2 МэВ, Фt = = 1.7 х 1017 см-2 при Тобл = 77 К прирост остаточного элетросопротивления р0 составляет ~0.05%. Подобный результат получен и при облучении реакторными нейтронами [7].
Повышение температуры облучения вначале приводит к некоторому увеличению Др/р0 при сохранении его знака (нейтроны Фt = 4.8 х 1017 см-2,
Тобл = 150 К, Др/р0 ~ +0.15%). Однако при более высокой температуре облучения знак Др/р0 изменяется на противоположный и остаточное электросопротивление начинает уменьшаться [8]. Последнее обусловлено тем, что при этих температурах радиационные дефекты становятся подвижными, вызывая процессы переноса. Это, в свою очередь, приводит к образованию в сплаве ближнего порядка [6, 8, 11].
Изменение остаточного электросопротивления при наборе флюенса облучения (Тобл > 150 К) является немонотонным и характеризуется инверсией [8, 19]. Так, при облучении электронами энергией Е = 1.8 Мэв потоком Ф = 5 х 1012 см-2 с-1 при Тобл = 313 К минимум р0 наблюдается при Фt = = 1.25 х 1018 см-2 и составляет Др/р0 = -6.5%. При дальнейшем наборе флюенса облучения р0 увеличивается, достигая при Фt = 3 х 1018 см-2 значения на 15% больше, чем в исходном отожженном состоянии [19]. При повышении температуры облучения величина минимума уменьшается, и он смещается в область меньших флюенсов [8, 20]. Таким образом, величина минимума и его положение на кривой зависимости р0 = /(Ф0 определяется температурой облучения.
Величина изменения р0 как при облучении, так и при возврате также зависит от исходного состояния сплава. При облучении в канале реактора нейтронами при Тобл = 145 К, Фt = 4.8 х 1017 н/см2 сплава, закаленного от 723 К, прирост электросопротивления составил величину примерно в 5.7 раза больше, чем отожженного [21]. В то же время уменьшение электросопротивления только закаленного сплава при нагреве в интервале температур 77-390 К составляет 6.7%, тогда как закаленного и облученного в тех же условиях нагрева - 4.6%, т.е. значительно меньшую величину [21].
Исходное состояние твердых растворов существенно влияет и на характер изменения электросопротивления при возврате облученных сплавов. Гак в случае закаленного необлученного сплава Си-15 ат. % А1 минимум р0 при изохронном отжиге наблюдается при Т = 390 К [21], отожженного и облученного при 77 К - при ~430 К [8]. Если перед облучением сплав закалить, то минимум вовсе не наблюдается при нагреве до 475 К [21].
При облучении твердых растворов Си-А1 наблюдается еще одна интересная аномалия, получившая название "2пё-гапркепотепа" [22]. Исследовалось изменение электросопротивления под облучением при Т = 373 К сплавов в двух состояниях. В первом случае образцы упорядочивались высокотемпературным отжигом с медленным охлаждением до Т = 373 К. Во втором те же образцы после облучения, при котором достигалась максимальная степень упорядочения, разу-порядочивались отжигом при 483 К до достиже-
ния исходного значения электросопротивления отожженных образцов, и охлаждались до температуры облучения. Оказалось, что при облучении и в первом, и во втором случаях электросопротивление уменьшалось. Однако во втором случае время половинного уменьшения электросопротивления при облучении тем же потоком и при той же температуре сплава Cu-15 ат. % Al оказалось в два с половиной раза больше, чем в первом случае. В случае повторного нагрева и облучения "половинное" время не изменялось.
Необычные результаты также были получены при исследовании влияния облучения и последующего отжига на структурно-фазовое состояние твердых растворов Cu-Al прямым дифракционным методом. На поликристаллических образцах исследовали угловое распределение интенсивности диффузного рассеяния рентгеновских лучей (ДРРЛ), обусловленное ближним упорядочением, с использованием которого рассчитывали, параметры ближнего порядка Каули для первых четырех координационных сфер. Полученные результаты позволяли судить об изменениях характера упорядочения и степени ближнего порядка при облучении. Исследовались две партии образцов сплава Cu-15 ат. % А1, одна из которых в исходном состоянии была отожжена при Т = 973 К и охлаждена со скоростью 2 К/мин до комнатной температуры, вторая -закалена от Т = 773 К. Сплавы облучались электронами с энергией 1.8 М
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.