CC BY
35
Физика твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2009, № 3, с. 55-60
УДК 539.21
СЕГРЕГАЦИОННЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ В ^№-ФОЛЬГАХ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ЭЛЕКТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ С ИЗМЕНЕНИЯМИ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
© 2009 г. М.В. Захватова, Ф.З. Гильмутдинов, В.Я. Баянкин, И.Н. Климова
Физико-технический институт УрО РАН, г. Ижевск [email protected]
Поступила в редакцию 10.03.2009
Исследовано влияние импульсного электронно-лучевого воздействия в миллисекундном диапазоне на состав поверхностных слоев, структуру, топографию и механические свойства фольг Си50№50 в зависимости от длительности импульса. Обнаружены формирование концентрационных неоднородностей в сверхтонких приповерхностных слоях, а также изменения в микрокристаллической структуре и механических свойствах фольг, зависящие от длительности электронного импульса.
Ключевые слова: медно-никелевые сплавы, поверхность, сегрегация, структура, микротвердость, электронно-лучевое воздействие.
Введение
Исследование влияния импульсных электронных потоков на свойства металлических сплавов представляет особый научный и практический интерес, при этом наименее изученными являются эффекты поверхностных сегрегаций и их взаимосвязь со структурно-фазовыми изменениями [1]. В данной работе методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), Оже-электронной спектроскопии (ОЭС), рентгеноструктурного анализа (РСА), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и измерений микротвердости исследованы закономерности изменений состава поверхностных слоев, структуры, топографии и механических свойств тонких прокатанных фольг сплавов Си50№50 при импульсных электронно-лучевых воздействиях в миллисекундном диапазоне в зависимости от длительности импульса. Исследование влияния потоков заряженных частиц на свойства медно-никелевых сплавов, широко используемых в различных областях техники, в том числе в виде тонкомерных изделий, представляет интерес с точки зрения разработки способов их направленной модификации.
Экспериментальная часть
Фольги Си-№, прокатанные от исходных 100 мкм до 50 мкм, в неравновесном деформированном состоянии подвергались импульсному электронному облучению в условиях высокого вакуума расфокусированным до d « 6 мм пуч-
ком при средней плотности тока 1.5 мА/мм2 с энергией 50 кэВ при длительности импульса т = = 2; 5; 10; 20; 30; 40 мс. Исследования химического состава сверхтонких поверхностных слоев выполнены методами рентгеноэлектронной спектроскопии на спектрометре ЭС-2401 с MgKa-возбуждением с использованием оригинальных методик обработки экспериментальных данных - вычитания нелинейного фона и учета аппаратурных искажений. При этом относительная ошибка расчета концентраций компонентов не превышала ±3%. Послойный анализ проведен с использованием травления поверхности ионами Ar с энергией 0.85 кэВ и плотностью тока 12 мкА/см2 (скорость травления ~ 1 нм/мин). Микротвердость измерена на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 20 г. Рентгеноструктурный анализ выполнен на дифрактометре ДРОН-3М в CuKa-излучении. Исследования топографии поверхности выполнены на зондовом микроскопе SOLVER-74 Pro.
Результаты и их обсуждение
В экспериментах при помощи рентгенофотоэлектронной спектроскопии было обнаружено перераспределение компонентов сплава в поверхностном слое и формирование немонотонного профиля концентраций элементов фольги Cu50Ni50 в зависимости от длительности электронного импульса (рис. 1). При 2 мс наблюдаем более сглаженный концентрационный профиль, а при 20 мс происходит сегрегация меди в слое до 3 нм. Сверхтонкий поверхностный слой
£
О
'5'
о
Время травления, мин
Рис. 1. Соотношение концентраций С(Си)/С(№) в приповерхностных слоях фольги Си50№50 со стороны облучения по глубине (1 минута травления соответствует ~ 1 нм) в зависимости от длительности импульса (х - необлученный образец, ■ - облученный электронным пучком с длительностью импульса 2 мс, ♦ - облученный электронным пучком с длительностью импульса 5 мс, о - облученный электронным пучком с длительностью импульса 10 мс, ▲ - облученный электронным пучком с длительностью импульса 20 мс)
обогащен никелем, вероятно вследствие селективного взаимодействия с адсорбированным на свободной поверхности кислородом. Эти результаты согласуются с полученными ранее данными, где была замечена поверхностная сегрегация компонентов в зависимости от плотности тока в пучке и от энергии электронного облучения [2]. Импульсное электронно-лучевое воздействие в миллисекундном диапазоне на исходно деформированную фольгу Си50№50 вызывает усиление исходных осцилляций состава, формирующихся уже при деформации в условиях прокатки, с увеличением энергии облучения, а при трехкратном облучении с энергией 60 кэВ это усиление максимально (рис. 2).
Соответственно, импульсное облучение вызывает изменения в структуре, механических свойствах и напряженно-деформированном состоянии фольг в зависимости от параметров воздействия, согласующиеся с характером сегрегационных процессов, о чем можно судить из изменений среднего размера областей когерентного рассеяния и микротвердости после облучения. Из рисунка 3 видно, что при увеличении длительности одиночного импульса наблюдается плавное снижение микротвердости при одновременном уменьшении размеров блоков когерентного рассеяния. При длительностях импульсов 30 и 40 мс происходило разрушение
образцов в зоне воздействия, что затрудняло измерения всех параметров, кроме микротвердости. Заметное снижение микротвердости, при разрушающих параметрах воздействия, можно связать с релаксацией (отжигом) первичной напряженно-деформированной и дефектной структуры, созданной в процессе прокатки. Похожие корреляции были ранее нами установлены и при вариации энергии облучения и плотности тока в пучке электронов [3]. Обнаруженные закономерности изменений состава поверхности, структуры и микротвердости фольги естественно связать с генерацией точечных дефектов, возникновением внутренних напряжений и пластических деформаций как за счет электроннолучевого удара, так и в результате быстрого теплового расширения-сжатия металла [1]. Электронное облучение оказывает термическое и ударное воздействие на облучаемую систему, вызывая направленное движение потоков дефектов в полях внутренних напряжений и перераспределение компонентов сплава, предположительно связанных с этими дефектами. Зависимость от параметров облучения может указывать на преобладание ударного воздействия над термическим при одних параметрах и термического над ударным при других.
Наглядным показателем сильного влияния поверхностных напряжений на дефектную
Рис. 2. Соотношение концентраций С(Си)/С(№) в приповерхностных слоях фольги Си50№50 со стороны облучения по глубине (1 минута травления соответствует ~ 1 нм) в зависимости от энергии электронов (х - необлучен-ный образец, □ - облученный электронным пучком с энергией 30 кэВ, ▲ - облученный электронным пучком с энергией 40 кэВ, ♦ - облученный электронным пучком с энергией 60 кэВ, о - три цикла облучения электронным пучком с энергией 60 кэВ)
d, X Н, кг/мм2
Рис. 3. Зависимость среднего размера областей когерентного рассеяния и микротвердости фольг Си50№50 в зависимости от длительности импульса (0 - микротвердость фольг, □ - средний размер областей когерентного рассеяния)
структуру облучаемых материалов может служить фотография поверхности, на которой видно, что после электронного облучения происходит растрескивание поверхности в области воздействия (рис. 4).
В силу технических причин мы не можем измерить локальные температуры и напряжения при электронном облучении, поэтому в работе проводились оценочные расчеты возникающих при облучении температурных полей и напряжений [5].
Рис. 4. Фотография поверхности фольги в зоне электронного воздействия, где происходит растрескивание, указывающее на действие напряжений в фольге
Используя модель, основанную на структурноаналитической теории прочности [6] и модифицированную под наш конкретный случай, можно показать, что при максимальных параметрах облучения материал нагревается не свыше 600°С, а даже при средних параметрах облучения после окончания воздействия в образцах присутствуют остаточные напряжения, приводящие к относительной деформации около 1%. Во время действия импульса происходит напряжение сжатия и рост температуры, после окончания импульса -напряжения растяжения и спад температуры.
Методом АСМ установлено изменение топографии фольг после импульсного электроннолучевого воздействия в зависимости от энергии электронного пучка. В образцах Си50№50, облученных электронами с энергией до 40 кэВ, происходит сглаживание сверхтонкого поверхностного слоя и микрооплавление исходных неровностей со стороны воздействия [3]. Плавление начинается ниже поверхности на глубине ~1.2 мкм, совпадающей с максимумом распределения потерь энергий, почти немедленно плавится слой толщиной, равной примерно половине длины пробега электронов, а поверхность начинает плавиться после окончания импульса [4]. При дальнейшем повышении энергии происходит развитие рельефа поверхности.
Все изменения, о которых шла речь раньше, естественно связаны с изменениями, происходящими в объеме материалов. Методом РСА установлено выделение после облучения структур в объёме фольг, близких по структуре к фазам чистого никеля и чистой меди, образовавшихся при деформации в процессе прокатки фольги, количество которых изменяется от па-
раметров облучения также в согласии с поверхностной сегрегацией. На рисунке 5 приведены зависимости относительной концентрации компонентов Си и № на глубине первого максимума (3 нм) и содержания фазы С(Си№) в объёме образца от длительности импульса, которые взаимосвязанно изменяются.
Для сплава Си№, являющегося твёрдым раствором со склонностью к расслоению, все эти изменения и сегрегации можно связать именно с расслоениями сплава как при деформации, так и при внешнем электронном воздействии.
Чтобы сравнить, какие изменения происходят в сплавах, не являющихся твёрдым раствором, и определить, будут ли эти изменения похожи на те, которые мы наблюдаем в Си№-сплавах, мы исследовали сплав FeMol3, в котором происходит выделение интерметаллических фаз. В этих сплавах вблизи свободной поверхности после отжига в высоком вакууме формируется слой, обогащённый Мо, экспоненциально спадающий вглубь до исходного состава, а после электронного облучения также наблюдаются немонотонности в распределении компонентов сплава.
При исследовании сплава Си№, не находящегося в напряженно-деформированном состоянии (без прокатки), при термическом воздействии также наблюдались экспоненциальное обогащение поверхности Си и слабые немонотонности в распределении компонентов при электронном облучении. Эти результаты говорят о том, что существует разница между длительным термическим воздействием и кратковременным электронным, которое оказывает не только температурное влияние, но и ударное.
С(Си)/С(№)
С(Си№), об.% 96
95
94
93
92
91
90
Длительность, мс
Рис. 5. Относительная концентрация компонентов Си и N1 на глубине первого максимума содержания меди (поверхностный показатель, ~ 3 нм) и содержание фазы С(Си№) в объёме образца в зависимости от длительности импульса (о - относительная концентрация компонентов С(Си) к С(№), ■ - содержание фазы Си№).
С(Си)/С(№)
Время травления, мин
Рис. 6. Соотношение концентраций С(Си)/С(№) в приповерхностных слоях фольги Cu5oNi5o по глубине (1 минута травления соответствует ~ 1 нм) со стороны облучения для разных экспериментальных лент (х - массивный образец 6x6 мм, ■ - фольга после прокатки из серии 50 мкм для облучения с вариацией по энергии, 0 - фольга после прокатки 50 мкм для облучения с вариацией по плотности тока)
Еще одно отличное от электронного воздействие - пластическая деформация материала (прокатка). После прокатки происходит усиление сегрегаций, а для разных прокатанных лент получались слегка различные концентрационные профили (рис. 6), но качественно поведение относительной концентрации компонентов не меняется от одной серии образцов к другой. Сравнивая результаты, полученные после термического и деформационного воздействия, с ре-
зультатами после импульсного электронного облучения, можно заметить, что электронное облучение можно рассматривать как сочетание совместного воздействия температур и напряжений.
Выводы
1. Импульсное электронно-лучевое воздействие и пластические деформации приводят к неравновесным поверхностным сегрегациям,
качественно отличающимся по характеру от поверхностных сегрегаций при длительном термическом воздействии.
2. Импульсное электронно-лучевое воздействие на деформированные фольги Си№ усиливает эффекты поверхностной сегрегации в зависимости от параметров облучения.
3. Перераспределение элементов в поверхностных слоях при импульсном электронном воздействии взаимосвязано с изменениями микрокроструктуры фольг Си№, в том числе с процессами расслоения в объеме материала.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 06-03-32662.
Список литературы
1. Бойко В.И., Валяев В.Н., Погребняк А.Д. Модификация металлических материалов импульсными мощными пучками частиц // Успехи физических наук. 1999. Т. 169. № 11. С. 1243-1271.
2. Захватова М.В., Гильмутдинов Ф.З., Паршу-ков Л.И. и др. Состав, структура и свойства поверхностных слоев тонких фольг Си60№40 при импульсном электронно-лучевом воздействии // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2007. № 1. С. 71-74.
2. Захватова М.В., Гильмутдинов Ф.З., Паршу-ков Л.И., Баянкин В.Я. Влияние импульсного электронно-лучевого воздействия на фольги Си-№ // ФизХОМ. 2007. № 5. С. 10-14.
3. Поут Дж.М., Фоти Г., Джекобсон Д.К. Модификация и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под ред. А.А. Углова. М.: Машиностроение, 1987. 424 с.
4. Захватова М.В., Гильмутдинов Ф.З., Паршу-ков Л.И. Напряженно-деформированное состояние металлической фольги при импульсном электроннолучевом воздействии // Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений. Тамбов, 2007. С. 331-335.
5. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Структурноаналитическая теория прочности. СПб.: Наука, 1993.
SEGREGATION EFFECTS IN CuNi FOILS UNDER PULSED ELECTRON-BEAM IRRADIATION AND THEIR INTERRELATION WITH CHANGES OF STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES
M. V. Zakhvatova, F.Z. Gilmutdinov, V.Ya. Bayankin, I.N. Klimova
The effect of millisecond pulsed electron-beam irradiation has been studied on the composition of surface layers, structure, topography and mechanical properties of Cu50Ni50 foils depending on the pulse length. It has been found out that concentration heterogeneities are formed in ultra-thin subsurface layers, and certain changes occur in foil microcrystal structure and mechanical properties depending on the pulse length.
Keywords: copper-nickel alloys, surface, segregation, structure, microhardness, electron-beam irradiation.
470 с.
