Радиационная физика, структура и прочность твердых тел

РАДИАЦИОННАЯ ФИЗИКА, 

СТРУКТУРА И ПРОЧНОСТЬ

ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Г. Г. Бондаренко

2-е издание, электронное 

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 539.21:539.1.043
ББК 22.37+22.38я73
Б81

Бондаренко Г. Г.
Б81
Радиационная физика, структура и прочность твердых тел :
учебное
пособие
/
Г. Г. Бондаренко. — 2-е
изд.,
электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2020. — 465 с. — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-00101-912-1
Настоящее учебное пособие посвящено описанию физических основ
взаимодействия высокоэнергетических излучений с веществом, сущности
и закономерностям радиационно-индуцированных процессов, протекающих
в облученных твердых телах, — образованию первичных структурных дефектов и их эволюции, фокусировке атомных столкновений и каналированию
частиц, структурно-фазовым превращениям в сплавах, трансмутационным
эффектам, электризации диэлектриков, распуханию, радиационному охрупчиванию и ползучести, ионному распылению, радиационному блистерингу
и др. Особое внимание уделено созданию малоактивированных материалов,
а также технологическим применениям радиационной обработки и модифицирования материалов.
Для студентов, аспирантов и специалистов в области радиационной
и космической физики, прикладной физики, физического материаловедения,
наноматериалов и нанотехнологий, твердотельной и вакуумной электроники,
наноэлектроники, экологических проблем радиационной безопасности.
УДК 539.21:539.1.043
ББК 22.37+22.38я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Радиационная физика, структура и прочность твердых тел : учебное пособие / Г. Г. Бондаренко. — М. : Лаборатория знаний, 2016. — 462 с. : ил. — ISBN 978-5-906828-06-4.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-912-1
c○ Лаборатория знаний, 2016

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение  ..................................................................................................................... 9

Глава 1. Общие представления о структурных дефектах 
в кристаллических твердых телах  ................................................ 12

1.1. Точечные дефекты .................................................................................. 13

1.2. Дислокации ............................................................................................ 20

1.3. Границы зерен и субзерен ..................................................................... 29

1.4. Дефекты упаковки ................................................................................. 32

1.5. Стандартный тетраэдр Томпсона .......................................................... 37

1.6. Дислокация (барьер) Ломер—Коттрелла .............................................. 38

1.7. Тетраэдры дефектов упаковки ............................................................... 39

1.8. Трехмерные дефекты ............................................................................. 42

1.9. Примесные атмосферы.......................................................................... 43

Список литературы  .....................................................................................44

Глава 2. Прочность и пластичность твердых тел   ..................................... 46

2.1. Механические свойства и характеристики материалов 
(общие определения) ............................................................................ 46

2.2. Диаграммы напряжение—деформация ................................................ 48

2.3. Напряженное и деформированное состояния ..................................... 51

2.3.1. Тензор напряжений ..................................................................... 51
2.3.2. Тензор деформации  ....................................................................54

2.4. Упругие и релаксационные свойства твердых тел ................................ 60

2.4.1. Упругие свойства ......................................................................... 60
2.4.2. Релаксационные явления и свойства ......................................... 65

2.5. Эффект Баушингера .............................................................................. 75

Оглавление
4

2.6. Пластическая деформация материалов ................................................ 76

2.6.1. Пластическая деформация скольжением ................................... 77
2.6.2. Пластическая деформация двойникованием ............................. 80

2.7. Сверхпластичность  ............................................................................... 83

2.8. Прочность, упрочнение и разупрочнение материалов  ....................... 85

2.8.1. Теоретическая и реальная прочность 
материалов .................................................................................. 85

2.8.2. Деформационное упрочнение .................................................... 87
2.8.3. Деформационное старение ......................................................... 93
2.8.4. Движение дислокаций с порогами .............................................94
2.8.5. Упрочнение сплавов частицами второй 
фазы ............................................................................................ 95

2.9. Твердость и микротвердость ................................................................. 96

2.10. Особенности пластической деформации 
поликристаллических материалов ........................................................ 97

2.11. Влияние пластической деформации на структуру 
и свойства металлов и сплавов ........................................................... 100

2.12. Влияние нагрева на структуру и свойства 
деформированных металлов и сплавов .............................................. 102

2.13. Разрушение ........................................................................................... 106

2.14. Жаропрочность .....................................................................................118

2.15. Усталость и изнашивание .....................................................................125

2.15.1. Усталость ....................................................................................125
2.15.2. Изнашивание .............................................................................134

Список литературы  .....................................................................................136

Глава 3. Общие закономерности радиационного дефектообразования 
в твердых телах   ...............................................................................138

3.1. Этапы процесса радиационной повреждаемости 
твердых тел  ...........................................................................................138

3.2. Определение энергии первично выбитого атома ................................139

3.3. Потенциалы взаимодействия .............................................................. 144

3.4. Сечение взаимодействия ......................................................................147

3.5. Каскад столкновений ...........................................................................152

3.5.1. Образование и развитие каскада ................................................152
3.5.2. Влияние эффектов фокусировки атомных 
столкновений и каналирования частиц в кристаллах 
на каскадную функцию ..............................................................155

Оглавление

3.5.3. Структура каскада .......................................................................157

3.5.4. Атермические перестройки в каскаде ....................................... 160

3.6. Энергетические потери движущихся частиц  ......................................161

Список литературы  ................................................................................... 166

Глава 4. Особенности взаимодействия различных видов 
ионизирующих излучений с твердыми телами   ........................ 168

4.1. Нейтроны ............................................................................................. 168

4.2. Ускоренные ионы .................................................................................170

4.2.1. Образование атомных смещений ...............................................170

4.2.2. Пробеги ионов и профили их распределения 
в твердых телах. Влияние эффекта 
каналирования ...........................................................................172

4.2.3. Эффект теней (блокировки) .......................................................183

4.2.4. Дефектообразование и трекообразование 
в твердых телах при воздействии 
высокоэнергетических тяжелых ионов .....................................186

4.3. Высокоэнергетические электроны ..................................................... 199

4.4. Гамма-кванты ...................................................................................... 203

Список литературы  ................................................................................... 209

Глава 5. Точечные радиационные дефекты и их скопления 
в облученных кристаллических материалах  .............................210

5.1. Образование точечных радиационных дефектов 
и их скоплений .....................................................................................210

5.2. Исследование образования и поведения 
скоплений радиационных дефектов при облучении 
материалов в колонне высоковольтного электронного 
микроскопа .......................................................................................... 223

5.3. Отжиг радиационных дефектов .......................................................... 234

Список литературы  ................................................................................... 238

Глава 6. Радиационно-индуцированные 
и радиационно-стимулированные 
процессы в твердых телах  ............................................................ 240

6.1. Радиационно-стимулированная диффузия .........................................241

6.2. Ионное перемешивание и имплантация атомами 
отдачи ................................................................................................... 250

6.3. Эффект дальнодействия ...................................................................... 255

Оглавление
6

6.4. Процессы сегрегации и сепарации компонентов 
сплавов ................................................................................................. 264

6.4.1. Термическая поверхностная сегрегация 
(сегрегация Гиббса) ................................................................... 265

6.4.2. Радиационно-индуцированная сегрегация .............................. 267
6.4.3. Радиационно-индуцированная сепарация 
атомов в сплавах .........................................................................273

6.4.4. Потеющие сплавы .......................................................................274

6.5. Радиационно-индуцированные 
и радиационно-стимулированные 
структурно-фазовые изменения в сплавах ........................................ 284

6.6. Трансмутационные эффекты и ядерное легирование 
материалов ........................................................................................... 300

6.7. Радиационная электризация диэлектрических 
материалов ........................................................................................... 306

Список литературы  ....................................................................................311

Глава 7. Радиационное распухание материалов  ......................................313

7.1. Влияние различных факторов на процесс распухания ........................314

7.1.1. Влияние температуры облучения ................................................314
7.1.2. Влияние дозы облучения .............................................................316
7.1.3. Влияние скорости введения радиационных 
дефектов и типа бомбардирующих частиц ...............................319

7.1.4. Влияние дислокационной структуры ........................................ 321
7.1.5. Влияние двумерных дефектов .................................................... 323
7.1.6. Влияние напряженного состояния материала .......................... 325
7.1.7. Влияние газовых примесей ........................................................ 327

7.2. Образование решетки пор в структуре облученного 
материала ............................................................................................ 332

7.3. Пути подавления радиационного распухания 
материалов .......................................................................................... 334

Список литературы  ................................................................................... 337

Глава 8. Влияние радиационного воздействия на прочность 
и пластичность твердых тел  ......................................................... 339

8.1. Механизмы радиационного упрочнения ............................................ 341

8.2. Зависимость радиационного упрочнения от дозы 
облучения ............................................................................................ 344

8.3. Влияние температуры облучения и испытания 
материалов на радиационное упрочнение ........................................ 348

Оглавление

8.4. Низкотемпературное радиационное охрупчивание .......................... 353

8.5. Восстановление механических свойств облученных 
материалов при пострадиационном отжиге .......................................361

8.6. Высокотемпературное радиационное охрупчивание ........................ 363

Список литературы  ................................................................................... 368

Глава 9. Радиационная ползучесть материалов  ...................................... 370

9.1. Общее описание радиационной ползучести, влияние 
на нее различных факторов ................................................................ 370

9.2. Теоретические представления ............................................................ 376

Список литературы  ................................................................................... 380

Глава 10. Распыление материалов при облучении  ................................. 382

10.1. Введение ............................................................................................. 382

10.2. Теория распыления ........................................................................... 383

10.3. Коэффициент распыления и его зависимость 
от различных параметров ................................................................ 385

10.4. Преимущественное распыление ...................................................... 393

10.5. Ионное травление поверхности материала 
при распылении ............................................................................... 396

10.6. Распыление материалов под действием нейтронов ......................... 400

10.7. Химическое распыление ................................................................... 401

10.8. Радиационная эрозия материалов при образовании 
униполярных дуг .............................................................................. 408

Список литературы  ................................................................................... 409

Глава 11. Радиационный блистеринг  ..........................................................412

11.1. Введение ..............................................................................................412

11.2. Влияние различных факторов на блистеринг ...................................413

11.2.1. Влияние дозы облучения ........................................................413
11.2.2. Влияние энергии бомбардирующих ионов .......................... 420
11.2.3. Влияние температуры облучения ......................................... 421
11.2.4. Влияние кристаллографической ориентации 
мишени ................................................................................. 423

11.2.5. Влияние угла падения ионов ................................................. 424
11.2.6. Влияние термомеханической обработки 
материала ............................................................................. 424

11.2.7. Влияние напряженного состояния материала 
при облучении ...................................................................... 425

Оглавление
8

11.3. Особенности водородного блистеринга ........................................... 428

11.4. Синергетические эффекты ................................................................ 429

11.5. Влияние блистеринга на радиационно-стимулированное 
испарение материалов ..................................................................... 430

11.6. Теория блистеринга ........................................................................... 432

11.7. Способы подавления блистеринга .................................................... 437

11.8. Smart cut-технология создания КНИ-структур ................................ 439

Список литературы  ................................................................................... 443

Глава 12. Малоактивируемые материалы  ................................................ 445

12.1. Влияние различных факторов на активационные 
параметры МАМ .............................................................................. 445

12.2. Методы уменьшения наведенной радиоактивности 
конструкционных материалов ......................................................... 447

Список литературы  ................................................................................... 452

Предметный указатель  .................................................................................. 454

ВВЕДЕНИЕ

Радиационная физика твердого тела является одной из быстро развивающихся областей физической науки, возникшей на стыке физики твердого тела, ядерной физики и физики высоких энергий. Значение радиационной физики твердого тела непрерывно растет, в первую очередь,
в связи с ее многочисленными направлениями практического применения в ядерной энергетике, космических исследованиях, электронике и
наноэлектронике и др. Результаты радиационной физики представляют
и общетеоретический интерес, позволяя, в частности, объяснить некоторые неясные вопросы в теории конденсированного состояния.
Свойства материалов всегда были ключевым звеном, определяющим
успех инженерных разработок в области техники. Особенно их роль возросла в последнее время при создании сложных конструкций, работающих в экстремальных условиях. Яркими примерами таких конструкций
являются, в частности, ядерные реакторы и устройства термоядерного
синтеза, космические аппараты. Сотни различных по составу, структуре
и способам изготовления материалов обеспечивают их работоспособность.
Но, попадая в условия воздействия высоких потоков облучения, они претерпевают значительные структурные перестройки из-за радиационных
повреждений. Следствием таких перестроек является резкое изменение
всех физических свойств материалов, причем эти изменения носят не
совсем обычный характер. В облученных материалах могут происходить
радиационное распухание, низко- и высокотемпературное радиационное охрупчивание, радиационно-стимулированная диффузия, радиационно-индуцированная сегрегация компонентов в сплавах, радиационноиндуцированные структурно-фазовые превращения, радиационный блистеринг и другие специфические процессы.
К конструкционным и функциональным материалам, применяемым
в области термоядерного синтеза уже сейчас предъявляются новые требования — они должны работать в беспрецедентно жестких условиях
(например, выдерживать облучение нейтронами с энергией до 14 МэВ).
Проектирование и создание реакторов деления нового поколения требует
от материалов устойчивости в области высоких температур (до 1500 °С)
при одновременном длительном воздействии мощного ионизирующего
корпускулярного и электромагнитного излучения. Поставлена задача
увеличить срок службы действующих и проектируемых ядерных реакторов до 60 и более лет.

Введение
10

В связи с этим в отечественных и зарубежных научных лабораториях
особое внимание уделяют теоретическим и прикладным вопросам влияния больших доз нейтронного облучения на комплекс физико-химических свойств материалов. Например, выяснилось, что учет временного фактора при исследовании протекания радиационно-стимулированных процессов требует пересмотра принципов легирования конструкционных
материалов, накладывая новые ограничения на содержание в них вредных примесных элементов.
Одно из важнейших направлений современной радиационной физики твердого тела — создание экологически чистых малоактивируемых
материалов с быстрым спадом наведенной радиоактивности. В данном
направлении интенсивно ведутся как теоретические, так и экспериментальные исследования. К числу перспективных конструкционных материалов относятся, например, сплавы на основе ванадия, хромомарганцевые аустенитные стали.
Следует отметить, что облучение материалов может приводить не
только к деградации его свойств, но и в некоторых случаях к значительному улучшению физико-химических характеристик облучаемого твердого тела. К широко изученному технологическому приему – ионной
имплантации – в настоящее время добавился ряд принципиально новых
направлений радиационной модификации свойств материалов. Сегодня
успешно развиваются такие методы радиационной технологии, как ионное перемешивание, легирование материалов ядрами отдачи, нейтроннотрансмутационное легирование, Smart cut-технология получения структур
«кремний-на-изоляторе», матричный синтез наноструктур и др. При этом,
например, удалось получить новые сплавы из термодинамически не смешивающихся компонентов. Создание таких сплавов (возможно, с уникальными свойствами), принципиально недостижимое с помощью традиционных методов, представляет весьма заманчивую перспективу для
различных областей техники.
В настоящее время исследования, проводимые в области радиационной физики твердого тела, ведутся в лабораториях экономически развитых стран широким фронтом. Весьма важным аспектом при этом является привлечение в данную интенсивно развивающуюся актуальную сферу
научных изысканий молодых, современно мыслящих исследователей.
Данное учебное пособие посвящено описанию основных процессов,
протекающих при воздействии ионизирующих излучений на материалы,
а также их физических закономерностей, исходя из современного состояния радиационной физики твердого тела. Автор намеренно делал
акцент на простом, доступном для студентов изложении материала, стараясь выделить физическую сущность описываемых явлений и избегая
строгих, порой громоздких математических выкладок. В ряде случаев в
книге приводятся результаты исследований, выполненных автором совместно с коллегами.
Книга написана на основе опыта чтения лекционных курсов в Московском институте электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики».