RADIATION-STIMULATED MODIFICATION OF THE PROPERTIES OF METALS AND ALLOYS

Тюрин Ю.И.¹, Смекалина Т.В.²

¹Доктор физико-математических наук, профессор, ²старший преподаватель, Томский политехнический университет

РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННАЯ МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Аннотация

Экспериментально исследована радиационно-стимулированная диффузия водорода и его изотопов из нержавеющей стали, палладия, ниобия. Обнаружена способность запасать энергию колебательно-возбужденными водородными состояниями и связями. Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать вывод о том, что облучение металлов, насыщенных водородом и дейтерием, электронами с энергией 10⁴–10⁵эВ, сопровождается возбуждением внутренней водородной атмосферы и эффективным снижением потенциального барьера на пути выхода водорода и дейтерия из металлов. Важным прикладным аспектом эффектов неравновесного выхода водорода и его изотопов является возможность управляемой модификации свойств металлов и сплавов.

Ключевые слова: Водород, металлы, облучение, электроны.

Tyurin Yu.I.¹, Smekalina T.V.²

¹Professor, Doctor of physical and mathematical Sciences, ² Head teacher, Tomsk Polytechnic University

RADIATION-STIMULATED MODIFICATION OF THE PROPERTIES OF METALS AND ALLOYS

Abstract

Radiation-stimulated diffusion of the hydrogen and its isotopes of stainless steels, palladium, niobium was experimental explored. The  ability to accumulate energy  by vibrational-excitad hydrogen states and relationships was discovered. The analysis of experimental results allows to draw a conclusion that irradiations of metals, saturated by hydrogen and deuterium, electrons with energy 10⁴-10⁵эВ, is accompanied by excitation of internal hydrogen atmosphere and efficient reduction of the potential barrier on the way of hydrogen and deuterium exit of metal. The important applied aspect of unbalanced exit of hydrogen and its isotope effects are a possibility of the operated modification of metal and alloys characteristic.

Keywords: Hydrogen, metals, radiation, electron.

Введение

Наличие водорода в конструкционных материалах определяет их многие уникальные физические и эксплуатационные свойств. Отличительными особенностями водорода во взаимодействии с металлами и сплавами является его высокая подвижность, физико-химическая активность, способность накапливаться на поверхности и в объеме в больших концентрациях. Наличие  внешней и внутренней водородной атмосферы приводит к существенному изменению свойств конструкционных материалов, причем оказываемое при этом действие может быть как отрицательным (например, охрупчивание материалов), так и благоприятным (водородо-фазовый наклеп). Возбуждение внутренней водородной подсистемы металлов и сплавов излучением в допороговой области приводит к неожиданным и разнообразным последствиям. Экспериментально обнаружено, что облучение металлов и сплавов электронами и рентгеновским излучением в допороговой области приводит к перераспределению водорода в объеме носителя и его термически неравновесному выходу из материала. Это дает возможность неравновесного, низкотемпературного управления свойствами материалов: прочностными, упругими, усталостными, и т.д.  путем изменения концентрации водорода в исходной матрице материала под действием излучения.

Изучение динамики накопления и выхода дефектов при наводороживании позволит прогнозировать изменение свойств конструкционных материалов при их эксплуатации. Катодное насыщение металлов и сплавов водородом при одновременном облучении позволяет формировать материалы и структуры, недостижимые в равновесных условиях. Таким образом, можно констатировать открытие широких перспектив в создании материалов с новыми, управляемыми свойствами.

Управляя концентрацией водорода в объеме твердых тел и плотностью дефектов, можно создавать неравновесные термодинамические системы, синтез которых традиционными методами невозможен [1]. В этом случае удается достичь глубокой, управляемой  перестройки металлов и сплавов на различных уровнях их строения [2,3].

Радиационно-стимулированная диффузия водорода из металлов и сплавов в допорогой области

Миграция, диффузия и выход водорода и его изотопов в металлах и сплавах изучались, в основном, при тепловом воздействии и радиационном (в «запороговой» области) [4]. Радиационно-стимулированная диффузия изотопов водорода в металлах и сплавах, проницаемость металлов и сплавов изотопами водорода изучаются достаточно длительное время в связи с проблемами первых стенок термоядерных и ядерных реакторов. Однако проведенные исследования [2] показали, что неравновесная миграция и выход водорода и его изотопов наблюдаются и при воздействии на металлы излучения в допороговой области. Обнаружено, что в металл-водородных соединениях водороду принадлежит активирующая роль, и это связано с наличием квазиизолированных колебательно-возбужденных состояний водорода и его изотопов.

Исследования динамики процессов выхода водорода и его изотопов из металлов и сплавов в ходе облучения проводились на образцах нержавеющей стали, ниобия, палладия. Металлические образцы насыщались дейтерием электролитически, что позволило изучить газовыделение в чистом виде. Измерения скорости выхода дейтерия из металлов проводились при воздействии электронного пучка, при термической стимуляции выхода (в ходе линейного нагрева) и при одновременном воздействии электронного пучка и температуры.

Результаты экспериментального исследования газовыделения из нержавеющей стали под действием электронного пучка с энергией 20 кэВ и значениями токов 50, 100, 150 мкА показали, что средняя скорость выхода дейтерия под действием электронного пучка растет сверхлинейно с увеличением тока пучка. В этих измерениях температура внешней стороны образца в области действия электронного пучка не поднималась выше 60°С, а с тыльной стороны – 40°С. Равновесный выход дейтерия при данных температурах в отсутствие электронного пучка незначителен.

Обнаружено также, что линейный нагрев с одновременным воздействием электронного пучка сопровождается у всех образцов сдвигом температурного максимума интенсивности выхода дейтерия в низкотемпературную область. Так, у нержавеющей стали максимум газовыделения при линейном нагреве без воздействия электронным пучком приходится на 180 °С, с пучком - на 80 °С.

Экспериментально обнаружена способность запасать колебательно-возбужденными водородными состояниями и связями энергию на время, превышающее время релаксации электронных и одно-фононных процессов в твердых телах. Изучение неравновесного выхода водорода и дейтерия из металлов при облучении электронами показало эффективность этого вида стимуляции. Так, облучение палладия, насыщенного водородом и дейтерием, увеличивает в тридцать раз скорость выхода водорода и дейтерия по сравнению с термически равновесным, при одинаковых температурах образца [4,5]. Заметных изотопных эффектов в выходе водорода и дейтерия из металлов при облучении электронами не обнаружено.

Облучение электронами может непосредственно  возбуждать водородную (дейтериевую)   подсистему   металлов,   стимулировать неравновесную диффузию и нейтрализацию водорода (дейтерия) при его выходе из объема на поверхность металла и являться причиной неравновесной десорбции водорода (дейтерия) с поверхности.

Заключение

Проведенные исследования показывают, что воздействие ионизирующего излучения (рентгеновского, пучка электронов) на металлы и сплавы при комнатной температуре вызывает интенсивную миграцию, ускоренную диффузию и выход водорода и его изотопов. Характерные особенности этого явления: радиационно-стимулированная миграция и выход водорода обусловлены возбуждением электронной подсистемы с последующей передачей энергии  ядерной подсистеме (процесс наблюдается при энергиях как выше, так и ниже порога образования дефектов).  Механизм ускоренного выхода водорода (дейтерия) из металлов под действием ионизирующего излучения обусловлен аккумулирующим свойствами водородной (дейтериевой) атмосферы.

Диффузия протонов водорода и других примесей становится неравновесным процессом, стимулированным внутренней водородной (дейтериевой) атмосферой, возбуждаемой внешним излучением; в отличие от электронной подсистемы металлов, водородная подсистема способна сохранять подведенную энергию достаточно долгое время, необходимое для стимуляции процессов ускоренной диффузии [6]. Условия неравновесного выхода водорода (дейтерия) под действием излучения определяются концентрацией и коллективными свойствами внутренней возбуждаемой атмосферы [7]. Поэтому эффекты, связанные с неравновесным выходом водорода (дейтерия), должны нелинейно возрастать с увеличением тока пучка и концентрации введенного водорода (дейтерия), что и наблюдается в эксперименте. Существует предельная концентрация водорода, выше которой проявляются коллективные эффекты при возбуждении электронной подсистемы, связанной с атомами водорода. Этот экспериментальный факт подтверждает наличие в металлах водородной атмосферы, способной аккумулировать подведённую извне энергию.

О нарушении термического равновесия между водородной (дейтериевой) атмосферой и кристаллической решеткой металлов свидетельствуют и эксперименты по термостимулированному выходу водорода с облучением и без облучения. В случае одновременного разогрева образца и его облучения, максимум скорости выхода водорода в режиме линейного нагрева заметно смещен в низкотемпературную область.

Литератуа

1. Писарев А.А., Черников В.Н. Взаимодействие водорода с металлами. - М.:Наука, 1987. - С.233-263.

2. Чернов И.П., Коротеев Ю.М. // Поверхность. Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования. – 2006. - № 3. - С.51-57.

3. Гольцов В.А. Взаимодействие водорода с металлами. - М.: Наука, 1987.- С.264-292.

4. Взаимодействие водорода с металлами/под ред. А.П.Захарова/. - М.: Наука, 1987. - 295 с.

5. Ю.И.Тюрин, Т.В.Смекалина. Радиационно-стимулированный выход водорода из металлов и сплавов. // Доклады Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий». Изд-во ТулГУ, Тула. – 2007. – С.190-192

6. Ю.И.Тюрин, В.Д.Хоружий, С.Х.Шигалугов, Ю.А.Сивов, Т.В.Смекалина. Эффективность передачи энергии адсорбции и рекомбинации атомов твердому телу при различных механизмах возбуждения // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ] / Томский политехнический университет (ТПУ) . — 2008 . — Т. 312, № 2. С. 55-65.