Файл: Троицкий О.А. Радиация и прочность твердых тел.pdf

§ 3. Изменение пластичности твердых тел при облучении

Пластическая деформация твердых тел начинается после окончания упругой деформации при достижении напряжениями уровня продела текучести. Д л я монокри­ сталлов пластическая деформация протекает сравнитель­ но п р о с т о — э т о сдвиги по одной или двум системам скольжения. Что касается поликристаллов, то их дефор­ мация проходит намного сложнее, т. к. для каждого кри­ сталлика существует свое распределение приложенных напряжений и кристаллики произвольным образом по­ вернуты относительно друг друга. Вместе с тем конгло­ мерат кристаллов должен деформироваться как единое целое.

Как показывает обширный экспериментальный мате­ риал, накопленный к настоящему времени, в результате облучения возрастает предел текучести образцов, т. е. напряжений, при которых начинается пластическая де­ формация .

Аналогично этому амплитудозавпсимое внутреннее трение, в основе которого лежит отрыв дислокаций от точек закрепления и начало актов пластической дефор­ мации, при облучении изменяется таким образом, что возрастают напряжения, начиная с которых внутреннее трение из амплитудонезависимого становится амплитудозавнсимым, т. е. когда с приложенным напряжением уве­ личивается и внутреннее трение.

Однако вернемся к пределу текучести. Физический смысл его заключается в начале массового движения дислокаций в плоскостях скольжения. После начала пла­ стической деформации напряжения, деформации продол­ ж а ю т возрастать. Это принято характеризовать коэффи­ циентом упрочнения. Упрочнение связано с наличием препятствий, создаваемых самими дислокациями при их пересечениях и другими дефектами, бывшими в решетке. Радиационные дефекты т а к ж е являются препятствием для движения дислокаций, поэтому, помимо возрастания предела текучести, в результате облучения происходит

создание облучением новых стопоров на линиях дисло­ кации и вблизи от них, что задерживает старт дислока-

ціпі и отодвигает его в область более высоких приложен­ ных напряжении.

Тщательное изучение вопроса влияния облучения на предел текучести показало, что предел текучести должен возрастать пропорционально корню квадратному из до­ зы облучения.

Было т а к ж е отмечено, что возрастание напряжения пластической деформации при облучении не сопровож­ дается очень большими изменениями напряжения, при котором происходит разрушение. Отсюда следует, что облучение приближает предел текучести к пределу проч­

указывалось, протекает весьма сложно. Однако существует универсальная зависимость Петча, связывающая предел те­

собой напряжение решеточного трения, которое противо­ действует движению дислокации в плоскостях скольже­ ния. Оно в свою очередь состоит из двух компонент — напряжения, определяемого высотой потенциальных барьеров в решетке, и напряжения взаимодействия скользящих дислокаций с примесями и другими дефек­ тами решетки.

Второй член в приведенном уравнении специфичен именно для поликристаллов. Он объясняет, как пласти­ ческая деформация передается от одного зерна к друго­ му, благодаря действию источников дислокаций.

Отметим, во-первых, что действию источников дислока­ ций (например, источников Франка-Рида) сильно затрудня­ ется в результате появления радиационных дефектов. По­ мимо этого, по указанным выше механизмам при облучении должно возрасти о, точнее га его часть, которая связана с взаимодействием дислокаций с дефектами решеток. Сильное возрастание а в результате облучения может привести к хруп­ кости металла.

Р е з ю м и р уя результаты по уже рассмотренным меха­ ническим свойствам, следует отметить, что под влиянием облучения модуль упругости несколько повышается, пре­ дел текучести сильно возрастает, предел прочности суще­ ственно не изменяется, а пластическая деформация ма­ териала сокращается .

§ 4. Влияние облучения на ползучесть и релаксацию напряжений

Рассмотрим теперь еще один вид механических испы­ таний—испытания на ползучесть. В этом случае к образ­ цу прикладывается постоянная нагрузка и измеряется пластическая деформация, в зависимости от времени приложения нагрузки.

Ползучесть в твердых телах обусловлена нескольки­ ми процессами, каждый из которых происходит с уча­ стием дислокаций. Наиболее важный процесс связан со скольжением дислокаций. Это особенно заметно на кри­ сталлах, обладающих одной ярко выраженной плоско­ стью скольжения. Так, в кристаллах цинка и графита, которые обладают единственной плоскостью скольжения (0001), называемой плоскостью базиса, отмечается яв­ ление сильной радиационной ползучести и большой ре­ лаксации приложенных напряжений под постоянной на­ грузкой.

Во время облучения в твердом тале возникает пере­ сыщенный раствор вакансий и межузїльньїх атомов, ко­

цессе облучения. Концентрация внедренных атомов во время облучения возрастает. Дислокации начинают пе­ реползать за счет поглощения имеющихся внутренних атомов. Те дислокации, переползанию которых способ­ ствуют внутренние напряжения, начнут двигаться рань­ ше дислокаций, переползанию которых препятствуют внешние напряжения . Суммарные напряжения, при ко­ торых протекает ползучесть, определяются переползани­ ем целой сетки дислокаций, существующих в кристалле.

Д е ф о р м а ц ия ползучести определяется балансом сил, действующих на сетку дислокаций. Если облучение осу­

ся очень большая релаксация напряжений при действии облучения. При детальном анализе условий облучения и деформации этих твердых тел можно прийти к замеча­

ределяется движением и трансформацией двумерной дислокационной сетки, расположенной в плоскости бази­ са. Маловероятно (но возможно), что часть дислокаций, расположенных в базисных плоскостях, переползают из одной плоскости в другую. Релаксация напряжений и ползучесть происходят, в основном, за счет скольжения дислокации в базисной плоскости. Это скольжение во время облучения может осуществляться за счет перерас­ пределения точек закрепления дислокаций и облегчения дислокационных реакций во время облучения. Если это так, то, в частности, следует ожидать, что эффект стиму­ лированной радиацией - релаксации напряжений должен быть резко анизотропен в зависимости от того, в каком направлении проводится облучение — вдоль плоскости базиса или перпендикулярно к нему. В первом случае, при совпадении плоскости движения дислокаций с пло­ скостью движения частиц, можно ожидать усиления взаимодействия излучения с линиями дислокаций. Экс­

Таким образом, такой очень частный случай пласти­ ческой деформации, как релаксация напряжений может осуществляться двумя путями — скольжением и пере­ ползанием дислокаций. Первый механизм, подробно рас­ смотренный нами на примере цинка, является более редким явлением, чем второй, т. к. концентрация скользя­ щих дислокаций обычно бывает мала . Поэтому в метал­ лах, подвергаемых облучению, механизм, связанный с переползанием, является более вероятным и хорошо со­ гласующимся с экспериментом.

В поликристаллах, помимо закономерностей ползу­ чести, свойственных монокристаллам, могут наблюдаться ряд специфических явлений. Одно из них заключается в том, что в результате образования смещенных атомов и вакансий во время облучения происходит изменение размеров каждого из кристалликов, образующих поли­ кристалл. При этом изменение размеров каждого из кристалликов в определенных направлениях будет отли­ чаться от среднего изменения поликристалла в целом,

и на поверхности, а т а к ж е за счет пластической дефор­ мации кристалликов, особенно если к образцу приложено, внешнее механическое напряжение.

Релаксация напряжений и ползучесть как в поликри­ сталлах, так и в монокристаллах могут протекать еще по одному механизму. Этот механизм, вообще говоря, не связан с дислокациями, а заключается в наиболее выгод­ ном перераспределении внедренных атомов и вакансий, образующихся при облучении. Присутствие вакансий вы­

Наличие внешних и внутренних напряжений будет влиять на процесс образования скоплений дефектов в местах, энергетически выгодных для точечных дефектов.

Таким образом, облучение оказывает влияние на ре­ лаксацию напряжений и ползучесть в моно- и поликри­ сталлах. Эффекты могут возникать в результате дейст­ вия нескольких механизмов. Наиболее важные из них связаны со скольжением или переползанием дислокаций.