Кратко и по существу — механизмы, как они меняют микроструктуру тонкой фольги при облучении быстрыми нейтронами, и как это отражается на механических свойствах.
Механизмы радиационных повреждений
- Первичные выбросы и каскады: быстрый нейтрон передаёт энергию атому (PKA), который создаёт каскад смещений (размеры каскада = единицы — десятки нм). Число первичных смещений оценивают по NRT-модели: $N_d=0.4\frac{T}{E_d}$, где $T$ — энергия, переданная в ядро, $E_d$ — порог смещения (обычно $20-40$ эВ).
- DPA и скорость повреждения: суммарная доза измеряется в смещениях на атом — $\text{dpa}$. Для оценки можно писать
$\text{dpa}=\int \varphi (E){\sigma }_d(E)N_d(E)dE$,
где $\varphi (E)$ — спектр потока нейтронов, ${\sigma }_d$ — эффективное сечение образования повреждений.
- Точечные дефекты и их эволюция: вакансии и интерстиции формируют пары, затем кластеры; часть дефектов рекомбинирует, часть стабилизируется на дислокациях и границах зерен.
- Образование кластеров и дислокационных петель: интерстициальные и вакансионные петли приводят к увеличению плотности дислокаций и изменению их структуры.
- Пустоты (ву́дла) и набухание: с накоплением вакансий формируются пустоты/поры → объёмное набухание.
- Газообразные продукты и трансмутация: быстрые нейтроны породят ${}^3$He и H, которые оседают в пустотах, усиливая набухание и образование путик-фаз (пузырьков).
- Радиационное сегрегирование и фазовые превращения: диффузии, усиленные излучением, приводят к обогащению/обеднению солюбильных элементов у границ зерен, возможна вторичная фазовая трансформация.
- Аморфизация (в некоторых материалах): при очень высокой локальной концентрации дефектов кристалл может стать аморфным.
Специфика тонкой фольги
- Поверхности — сильные стоки дефектов: в тонких фольгах дефекты быстрее аннигилируют на поверхности, поэтому плотность устоявшихся дефектов вблизи поверхности обычно ниже, чем в массиве.
- Толщина сопоставима с размером каскада → часть каскадов «выходит» на поверхность, меняя тип и размер накопленного повреждения; TEM-образцы часто недооценивают повреждение в объёме.
- Потенциальная релаксация напряжений через изгиб/деформацию фольги и ускоренная выпотевание газов.
Влияние на механические свойства
- Упрочнение/твёрдость: плотность дефектов и кластеров препятствует движению дислокаций → рост предела текучести и твёрдости. Модель разбросанного барьера (DBH):
$\Delta \sigma =M\alpha Gb\sqrt{Nr}$,
где $M$ — фактор ориентирования, $\alpha$ — константа, $G$ — модуль сдвига, $b$ — вектор Бюргерса, $N$ — плотность препятствий, $r$ — их эффективный радиус.
- Хрупкость и снижение пластичности: накопление кластеров и пустот снижает удлинение до разрыва и ударную вязкость; температура перехода хрупкого разрушения (DBTT) смещается вверх.
- Уменьшение усталостной живучести: дефекты являются сайтами зарождения трещин, ускоряется рост трещин.
- Набухание и геометрические деформации: порообразование ведёт к увеличению объёма и искажению формы (особенно важно для толстых образцов, но в фольгах локальные выпуклости/волны возможны).
- Радиационно-усиленная диффузия и креэп: ускоренная миграция дефектов увеличивает скорость релаксации и ползучести при нагрузке и температуре; есть также излученно-стимулированный креэп (микроскопический поток вакансий приводит к деформации).
- Влияние газов (He, H): образование пузырьков ослабляет сцепление и способствует межкристаллитной хрупкости.
Последствия для экспериментов на фольгах и выводы
- Данные по тонким фольгам часто не экстраполируются прямо на объёмные компоненты: поверхности снижают видимую концентрацию дефектов; трансмиссионная толщина и тепловая история важны.
- Для оценки повреждений используют комбинцию: расчёт dpa, TEM/PAS/SANS, измерения твёрдости/разрыва, учёт трансмутаций (He/H).
- Меры снижения негативных эффектов: легирование элементами-ловушками газов, создание искусственных стоков дефектов (наночастицы), термо‑отпал, контроль рабочей температуры и потока нейтронов.
Коротко: быстрые нейтроны инициируют каскады смещений, приводящие к точечным дефектам, кластерам, петель и пустотам; в фольгах поверхностные стоки модифицируют картину повреждений. Это вызывает упрочнение и потерю пластичности, увеличение DBTT, набухание и ухудшение трещиностойкости — эффект зависит от дозы ($\text{dpa}$), спектра нейтронов и температуры.