Диффузионная подвижность железа в бериллии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Румянцев, Иван Михайлович

• Румянцев, Иван Михайлович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Румянцев, Иван Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ ДИФФУЗИИ

1.1. определение коэффициента диффузии в металлах.

1.2. Обзор исследовал щй диффузии железа в бериллии.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ДИФФУЗИОННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. исследуемый материал.

2.2. подготовка образцов.

2.3. Характеристики диффузанта.

2.4. Создание слоя-источника диффузии.

2.5. Подготовка к диффузионному отжигу.

2.6. Проведение диффузионных отжигов.

2.7. Снятие слоев.

2.8. Радиометрический анализ.

2.9. Представление данных распределения интегральной активности по глубине.

3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА. ПОПАКЕТНЫЙ МЕТОД

3.1. Первичная обработка.

3.2. Погрешность определения коэффициента диффузии.

3.3. Анализ вклада необъемных процессов.

3.4. попакетная обработка.

3.5. анализ диффузии в приповерхностных слоях.

4. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О ДИФФУЗИИ ИЗ ИСТОЩАЮЩЕГОСЯ ИСТОЧНИКА С УЧЕТОМ ПРЕДЕЛА РАСТВОРИМОСТИ

4.1. Решение задачи о диффузии из истощающегося источника.

4.2. Учет предела растворимости при диффузии из постояш юго источника.

4.3. Задача о диффузии го истощающегося источника с учетом предела растворимости примеси.

5. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ В БЕРИЛЛИИ

5.1. Диффузия железа в горячепрессованном и литом бериллии.

5.2. Прогнозирование характерных особенностей диффузии примесей в бериллии.

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диффузионная подвижность железа в бериллии»

Актуальность

Бериллий — уникальный материал атомной и авиакосмической техники. В проектах термоядерных реакторов (ТЯР) он рассматривается в качестве канди-датного материала для ряда элементов, например, в облицовке первой стенки и как размножитель нейтронов в бридерном бланкете. Выпускаются различные сорта бериллия технической чистоты. Наиболее технологичным является бериллий, приготовленный методами порошковой металлургии. Материаловедче-ско-технологические исследования бериллия активно продолжаются.

Свойства бериллия, в частности механические, зависят от наличия примесей, причем не только от их количества, но и от того, в каком виде они находятся. Контролирующим процессом распределения и перераспределения примесей при термической обработке материала является диффузия. Железо является основной металлической примесью в бериллии и оказывает существенное влияние на механические свойства бериллия и его сплавов. В литературе имеются данные по диффузии железа, полученные разными методами. Эти данные во многом противоречивы. Настоящая работа посвящена определению диффузионной подвижности железа в бериллии. Диффузионная подвижность как структурно-чувствительное свойство, по-видимому, должна иметь особенности в соответствии с особенностями структуры горячепрессованного материала. Следует ожидать, что влияние скажется на физических константах температурной зависимости коэффициента диффузии:

D(T) = D0exp(-iL) , (1) где Q - энергии активации, D0 — предэкспоненциальный множитель, Т — абсолютная температура. Один из прямых способов изучения диффузии — метод радиоактивных индикаторов. Однако в отношении системы бериллий-железо этот метод еще нуждается в развитии. Прежде всего, следует учесть, что радиоактивный препарат, наносимый на поверхность образца диссоциирует немгновенно, изотоп железа не настолько быстро переходит в матрицу, чтобы можно было использовать традиционные методики эксперимента. В таких случаях, когда слой-источник имеет конечное время диссоциации, его можно назвать истощающимся. Кроме того, железо имеет ограниченную растворимость в бериллии.

К началу работы математический аппарат решения задачи о диффузии ограниченно растворимой примеси не был разработан. Среди известных 1500 двойных металлических систем более 70% имеют малую растворимость одного элемента в другом. В случае неметаллических систем малая растворимость примеси в основной матрице встречается еще чаще. При обработке экспериментов по определению диффузионной подвижности в таких системах необходимо учитывать наличие предела растворимости. В данной работе была создана методика определения диффузионной подвижности в системах с малой растворимостью.

Цель работы. Определение характеристик диффузионных процессов в перспективных материалах атомной техники на основе бериллия, с учетом ограниченной растворимости примеси.

В работе решались следующие задачи:

- разработка методики проведения диффузионного эксперимента для систем с малой растворимостью;

- создание новой методики обработки результатов диффузионного эксперимента, позволяющей выделить объемную диффузию;

- создание физической и математической модели, позволяющей учитывать реальные процессы на границе источник-образец, такие как истощение источника диффузии со временем, а также наличие естественного ограничения — предела растворимости примеси в исследуемом материале;

- исследование диффузии железа и ряда других примесей в литом и горяче-прессованном бериллии технической чистоты в интервале температур 8751120 °С, охватывающем температуры возможной термообработки и горячего прессования.

- определение параметров диффузии железа с точностью, достаточной для надежной экстраполяции температурной зависимости до более низких температур (температур возможной термообработки и рабочих температур физико-энергетических установок).

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Румянцев, Иван Михайлович

Выводы

1. Предложена математическая модель, описывающая атомную диффузию из истощающегося источника с учетом влияния предела растворимости примеси в матрице. Модель основана на найденных решениях задачи о линейной одномерной диффузии при различных сочетаниях степени истощения и растворимости. Решения получены с применением преобразования Лапласа к линейному интегральному уравнению Вольтерра второго рода с ядром в виде свертки. Наиболее общий вариант решения имеет вид: 2/?ехр(-^)

Ф(г + у2 4т) - 0(z + ух 4т)

У 1~Уг где с — концентрация диффузанта, с — предел растворимости диффузанта, z— безразмерная глубина, г — безразмерное время, 0>(v) = exp(v2)-erfc(v), /? — параметр, yU2 = /3±4fF-l. Модель включает в себя известные традиционные модели как частные случаи.

2. Показана возможность применения попакетного метода обработки результатов эксперимента для выявления вкладов реакционной и граничной диффузии.

3. В проведенном диффузионном эксперименте погрешности определения интегральной активности и глубины проникновения минимизированы благодаря обеспечению комплекса средств: использованию источника с высокой удельной активностью, измерению интегральной активности эталонных образцов, проведению отжигов достаточной длительности в широком диапазоне температур, контролю плоскопараллельности снятых слоев. Достигнутая точность эксперимента позволила применить в обработке общее решение и получить коэффициенты диффузии с погрешностью 8-11 %.

4. Диффузионная подвижность железа в литом бериллии технической чистоты в интервале температур от 875 до 990 °С совпадает в пределах погрешности с литературными данными для сверхчистого SR-бериллия и сплава бериллия с 0,31% Fe.

Например, при 940 °С получено:

D =(2,9 ± 0,3)-1 О*10 см2/с.

Это значение на 10% ниже, чем в сплаве с 0,31% Fe, и на 21% выше, чем для сверхчистого бериллия. Таким образом, содержание железа в исследуемом материале не оказывают сильного влияния на его диффузионную подвижность.

5. Диффузионная подвижность железа в горячепрессованном бериллии выше, чем в литом материале. При 940 °С коэффициент диффузии железа в горячепрессованном бериллии равен

D =(0,7 ± 0,1 )• 1 О*9 см2/с, что в 2,4 раза выше, чем в исходном литом материале. Более высокая концентрация дефектов внутренней структуры, обусловленная порошковой технологией, облегчает диффузию примеси в горячепрессованном материале.

6. Обнаруженную более высокую подвижность железа в горячепрессованном материале не. следует приписывать граничному эффекту: а) наименьшая абсолютная температура отжига составляла более 0,77^ бериллия; б) анализ первичных кривых не выявил граничной диффузии; в) скорость распада твердого раствора в горячепрессованном материале существенно выше, чем в литом.

7. Достоверность данных по диффузии железа в горячепрессованном бериллии технической чистоты, полученных в интервале температур 920-1120 °С:

D = (1,9±0,3) ехр[-(218000 ±12000)/RT], позволяет экстраполировать температурную зависимость на более низкие температуры.

8. Установлено, что в экспериментах по диффузии железа в бериллии источник диффузии не истощается полностью. Степень истощения составляет от 58 до 93%. Для других технологических примесей в бериллии степень истощения может составлять от 5% до 98%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Румянцев, Иван Михайлович, 2005 год

1. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел / Пер. с англ. М.: Наука, 1964. 380 с.

2. Болтакс Б. И. Диффузия в полупроводниках. М.: Физматгиз, 1961.293 с.

3. Болтакс Б. И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. JL: Наука, 1972. 144 с.

4. Crank J. The Mathematics of Diffusion. Oxford: Clarendon Press, 1975.422 p.

5. Jle Клер А. Д. Исследование диффузии в металлах // Успехи физики металлов. М.: Изд-во иностр. лит., 1958. С. 72-87.

6. Герцрикен С. Д., Дехтяр И. Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. М.: Физматгиз, 1960.366 с.

7. Зайт В. Диффузия в металлах / Пер. с нем. М.: Изд-во иностр. лит., 1958. 266 с.

8. Шьюмон П. Диффузия в твердых телах/ Пер. с англ. М.: Металлургия, 1966. 168 с.

9. Adda Y., Philibert J. La diffusion dans les solides, tt. 1,2. Paris, Presses Univer-siteires France, 1966.43 p.

10. Бокштейн Б. С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1976.183 с.

11. Федоров Г. Б., Смирнов Е. А. Диффузия в реакторных материалах. М.:1. Атомиздат, 1978. 148 с.

12. Myers S. М., Picraux S. Т., Prevender Т. S. Diffusion in the Be-Al-Be System Using High-Energy Ion Beams // Phys. Rev., 1974, V.2, N 10, P. 3953.

13. Визжачий А. Г., Головачев M. Г. Измерение концентрации в экспериментах по диффузии // Заводская лаборатория, 1976. Т. 42. № 9. С. 1087.

14. Пинес Б. Я., Чайковский Э. Ф. Экспериментальные методы диффузии // ДАН СССР. 1956. Т. 3, №6. С. 1234.

15. Папиров И. И. Структура и свойства сплавов бериллия. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1981. 232 с.

16. Папиров И. И. Бериллий конструкционный материал. М.: Машиностроение, 1977. 190 с.

17. Бескоровайный Н. М., Калин Б. А, Платонов П. А., Чернов И. И. Конструкционные материалы ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1995. 602 с.

18. Маннинг Дж. Кинетика диффузии атомов в кристаллах/ Пер. с англ. М.: Мир, 1971. 152 с.

19. Hevesy J., Seith W. Kinetiks of Sn atoms in Cu // Zs. Phys., 1929. Bd 56. S. 790.

20. Загрубский A. M. Измерение концентрации при послойном анализе // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1937. Т. 6. С. 903.

21. Johnson W. Concentrations profiles in Diffusion studies in Me // Metals Technology, 1941. V. 11, p. 272.

22. Mosca R., P. Bussei, Franchi S. et. all. Be diffusion in molecular beam epitaxy-grown GaAs structures // Journal of Applied physics, 2003, vol. 93, N. 12, p. 9709.

23. Суржиков А. П., Лысенко E. H., Гынгазов С. А. и др. Определение коэффициентов диффузии кислорода в поликристаллических литий-титановых ферритах // Известия высших учебных заведений. Физика. 2002. С. 59 — 66.

24. Грузин П. JI. Применение радиоактивных изотопов при изучении диффузии в металлах // Проблемы металловедения и физики металлов М.: Металлургия, 1952. С. 12-21.

25. Грузин П. JI. Применение искусственно-радиоактивных индикаторов для изучения процессов диффузии и самодиффузии в сплавах. Самодиффузия кобальта // ДАН СССР. 1952. Т. 86. № 2. С. 289-292.

26. Изучение физических и физико-химических свойств бериллия и его сплавов. Гладков В. П. и др. (Отчет). Гос. per. N 02.84.0057502. М.: МИФИ, 1984.43 с.

27. Gladkov V. P., Dubinskaya Yu. L., Petrov V. I., Rumyantsev I. M. Features ofiron-contained phases precipitating in commercial beryllium at 600 °C // Перспективные материалы. Специальный выпуск. 2002. С. 63-69.

28. Румянцев И. М. Особенности диффузии железа в металлокерамическом бериллии при 920-1140 °С // Научная сессия МИФИ-2002. Сборник трудов. М.: МИФИ, 2002. Т. 14. С. 132-133.

29. Staffidi-Argentina F., Longhurst G. R., Shestakov V., Kawamura H. The status of beryllium technology for fusion // J. Nucl. Mater. 2000. V. 281-287. P. 43-49.

30. Ананьин В. M., Зотов В. С., Гладков В.П., Скоров Д. М. Диффузионные процессы в бериллии. М.: Энергоиздат, 1981. 81 с.

31. Donze G., Le Hazif R., Maurice F., e.a Diffusion et solubilite du fer dans le beryllium // Compt. Rend. Acad. Sci. (France). 1962. Vol. 254. No.13. P. 2328 -2330.

32. Naik M. C., Dupouy J. M., Adda Y. Diffusion of iron and silver in beryllium // Mem. Sci. Rev. Met. 1966. Vol. 63. P. 488-494.

33. Naik M. C. Diffusion of iron in beryllium. These dock. Univ. Mention sci. Fac. sci. Univ. Paris, 1964. 103 p.

34. Myers S. M., Smugeresky J. E. Phase Equilibra and Diffusion in the Be-Al-Be System Using High-Energy Ion Beams // Metallurgical Transactions, vol 7A, June 1976, pp. 795-802

35. Бериллий. Наука и технология. Под ред. Д. Вебстера / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1984. 552 с.

36. Изучение диффузии железа в техническом бериллии. Гладков В. П., Петров В. И., Светлов А. В., Румянцев И.М. (Отчет). № гос. регистрации 02.200.108874. М.: МИФИ, 2001. 34 С.

37. Дж. Сквайре. Практическая физика. Пер. с англ. Е. М. Лейкина. М.: Мир, 1971.98 с.

38. К. Vieregge, Chr. Herzig. Grain Boundary Diffusion in a-Zirconium // Journal of Nuclear Materials, 1990. V. 173. P. 118 129.

39. Гладков В. П., Кащеев В. А., Петров В. И. Румянцев И. М. Диффузия в системе с низкой растворимостью примеси в твердой матрице // ЖТФ. 2003. Т. 74. Вып. 3. С. 1-4.

40. Гладков В.П., Кащеев В. А., Петров В. И., Румянцев И. М. Концентрационный профиль диффундирующей примеси в системе с низкой растворимостью // Научная сессия МИФИ 2003. Сборник трудов. М.: МИФИ, 2003. Т. 9. С. 121-123.

41. Артышев С. Г., Волков Н. Г., Кащеев В. А. Математическая обработкаэкспериментов диффузии, проводимых с помощью радиоактивных изотопов// ФММ. 1984. Т. 57. Вып. 5. С. 930-935.

42. Изучение диффузионной подвижности и растворимости железа и хрома в промышленном бериллии. Гладков В. П., Петров В. И., Светлов А. В. и др. (Отчет). Тема 84-3-339. М.: МИФИ, 1985. 46 с.

43. Электрическое сопротивление технического и легированного бериллия. В. П. Гладков, В. И. Петров. (Отчет) Гос. per. 0297.0004941. М.: МИФИ, 1997. 36 с.

44. Папиров И. И. Окисление и защита бериллия. М.: Металлургия, 1968 г. 65с.

45. Папиров И. И., Тихинский Г. Ф. Физическое металловедение бериллия. М.: Атомиздат, 1968. 122 с.

46. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник. В 3 т. / Под ред. Н. П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. 345 с.

47. Нейлер Дж., Белл П. Сцинтилляционный метод // Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия. Под. ред. К. Зигбана. М.: Атомиздат, 1969. Вып. 1. С. 255.

48. Паркер В., Слэтис Г., Гоулдинг Ф., Аллен Р. Некоторые вопросы техники эксперимента // Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия. Под. ред. К. Зигбана. М.: Атомиздат, 1969. Вып. 1. С. 255.

49. Гладков В. П., Дубинская Ю. JL, Петров В. И. Механизм распада пересыщенного твердого раствора в горячепрессованном бериллии // Материалы ядерной техники. Тезисы российской научной конференции МАЯТ—1. М.: ВНИИНМ, 2002. С. 124-125.

50. Гладков В. П., Перов И. А., Светлов А. В., Анализ диффузионного взаимодействия металл-бериллий методом радиоактивных индикаторов // Проблемы материаловедения атомной техники. М.: Энергоатомиздат, 1989. С. 87.

51. Гладков В. П., Кащеев В. А., Червяков А. В. Учет времени диссоциации источника меченых атомов при изучении диффузии в твердом теле // Изотопы в СССР. 1986. Вып. 2 (71). С. 42-48.

52. Арсенин В. Я. Методы математической физики и специальные функции. М.: Наука, 1984.384 с.

53. Гладков В.П., Петров В.И., Румянцев И.М. Диффузионная подвижность железа в горячепрессованном бериллии технической чистоты. // Атомная энергия. 2005. Том 98. Вып. 2. С. 155-157.

54. Альтовский Р. М., Панов А. С. Коррозия и совместимость бериллия. М.: Атомиздат, 1975.76 с.

55. Дж. Дарвин, Дж. Баддери. Бериллий. М.: ИЛ, 1962.298 с.

56. Румянцев И.М. Учет предела растворимости примеси при диффузии из истощающегося источника // Десятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-10. Сборник тезисов. М.: МГУ,2004. Часть 1. С. 260-261.

57. Большее JI. Н., Смирнов Н. В. Таблицы математической статистики. М., 1983. 145 с.

58. Гладков В. П., Кащеев В. А., Петров В. И., Румянцев И. М. Распределение интегральной активности при диффузии из истощающегося источника с учетом предела растворимости // Научная сессия МИФИ-2004. Сборник трудов. М: МИФИ, 2004. Т. 9. С. 112-113.

59. Гладков В. П., Кащеев В. А., Петров В. И., Румянцев И. М. Задача о диффузии ограниченно растворимой примеси в твердой матрице при учете истощения диффузанта со временем // ИФЖ. 2005. Том 78. Вып. 2. С. 111—117.

60. Солонин М. И. Использование достижений фундаментальных исследований в ядерных технологиях // Сборник докладов 4-й научно практической конференции Минатома России. М.: Минатом России, 2003. С. 7-24.