離子輻照對(duì)材料中擴(kuò)散行為的長程影響及其機(jī)制研究.pdf

1、非線性科學(xué)的迅速發(fā)展使其成為眾多學(xué)科的前沿課題之一，孤子作為非線性科學(xué)的一個(gè)分支，在許多工程領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。晶體點(diǎn)陣中，由于非線性原子間作用力和點(diǎn)陣離散性之間的耦合，在一定條件下，使得晶格振動(dòng)發(fā)生局域化，振動(dòng)模式能量的傳輸呈現(xiàn)長程傳播而不衰減的孤子特性，這種振動(dòng)模式稱為晶格振動(dòng)孤子?？梢灶A(yù)測這一效應(yīng)對(duì)材料的諸多行為如擴(kuò)散、相變等產(chǎn)生影響。
　　離子輻照損傷缺陷和晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)都可能對(duì)擴(kuò)散產(chǎn)生影響，其中輻照損傷缺陷只能在輻照損傷

2、區(qū)影響擴(kuò)散行為，而晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)可以長程傳播而能量不發(fā)生衰減，進(jìn)而可能對(duì)輻照損傷區(qū)以外的擴(kuò)散行為產(chǎn)生影響，據(jù)此本文設(shè)計(jì)了在遠(yuǎn)離輻照損傷區(qū)引入擴(kuò)散偶這一試驗(yàn)方案，分離了輻照損傷缺陷與晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)。本文研究了離子輻照誘發(fā)晶格振動(dòng)孤子對(duì)材料間隙擴(kuò)散、置換擴(kuò)散和表面偏聚行為的長程作用，以及離子能量、束流密度、孤子傳播距離、晶界在晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)分別與間隙擴(kuò)散、置換擴(kuò)散和表面偏聚耦合過程中起到的作用。
　　針對(duì)離子輻照誘發(fā)晶格振動(dòng)孤子

3、與材料間隙擴(kuò)散行為的長程耦合效應(yīng)，設(shè)計(jì)了Fe-C在鐵素體—奧氏體雙相區(qū)的反應(yīng)擴(kuò)散過程。預(yù)制200mm厚度脫碳層的45鋼，在鐵素體/奧氏體雙相溫度區(qū)保溫，碳從基體向脫碳層中遷移，并誘發(fā)鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。該過程由碳在遠(yuǎn)離表面的奧氏體中擴(kuò)散所決定，因而分離了輻照損傷效應(yīng)與晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)。用定量金相法分析奧氏體含量的深度分布，進(jìn)而評(píng)價(jià)碳的擴(kuò)散。在這一過程中對(duì)材料表面施加離子輻照，研究離子輻照對(duì)碳在鐵中間隙擴(kuò)散的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)制

4、柱狀晶脫碳層的45鋼，在雙相區(qū)溫度保溫時(shí)，碳沿晶界優(yōu)先向表面擴(kuò)散，使鐵素體柱狀晶晶界處碳含量升高，發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體從晶界向晶內(nèi)長大；在保溫過程中對(duì)表面施加氬離子輻照，會(huì)使碳向表面的擴(kuò)散受到抑制；隨著離子能量的升高和離子束流密度的增大，碳的擴(kuò)散受到更加顯著的抑制；碳的擴(kuò)散發(fā)生在距輻照表面200mm深度內(nèi)，由此可知離子輻照對(duì)輻照損傷區(qū)以外的碳擴(kuò)散產(chǎn)生了抑制作用。預(yù)制等軸晶脫碳層的45鋼，表面100mm內(nèi)碳的擴(kuò)散受到抑制，而100-20

5、0mm內(nèi)碳的擴(kuò)散未受影響，說明晶界對(duì)離子輻照誘發(fā)長程效應(yīng)的衰減作用。碳在奧氏體中擴(kuò)散的微觀過程是碳在奧氏體晶格相鄰八面體間隙之間的遷移；離子輻照誘發(fā)晶格振動(dòng)孤子，導(dǎo)致奧氏體中八面體間隙畸變，因此碳的擴(kuò)散激活能升高，擴(kuò)散系數(shù)降低，碳向表面的擴(kuò)散受到抑制。
　　針對(duì)離子輻照誘發(fā)晶格振動(dòng)孤子與材料置換擴(kuò)散行為的長程耦合效應(yīng)，設(shè)計(jì)了Cu-Ni互擴(kuò)散體系。利用銅-鎳體系無限固溶的特性，在定向凝固單晶和柱狀晶銅，以及多晶銅片狀樣品正面，用磁控

6、濺射方法沉積鎳鍍層，擴(kuò)散時(shí)在遠(yuǎn)離樣品擴(kuò)散偶的一端即樣品背面施加離子輻照，即分離了輻照損傷效應(yīng)與晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)。研究了樣品厚度、離子能量和離子束流密度對(duì)銅-鎳擴(kuò)散行為的影響。試驗(yàn)中使用輝光放電光譜方法分析了鎳的濃度分布；使用掃描電子顯微分析了基體和鍍層的組織結(jié)構(gòu)；使用正電子壽命譜和慢正電子湮沒多普勒展寬譜方法分析了單晶銅經(jīng)過離子輻照后未輻照面的缺陷狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在以單晶或柱狀晶銅為基體的銅-鎳擴(kuò)散偶中，離子輻照對(duì)銅鎳之間的擴(kuò)散產(chǎn)生

7、了長程的加速作用，隨著樣品厚度的降低和離子能量的升高，擴(kuò)散系數(shù)有所增加；而離子束流密度的增大對(duì)擴(kuò)散系數(shù)不產(chǎn)生顯著影響。離子輻照使鎳在單晶銅中的擴(kuò)散激活能由1.01eV降為0.94eV，頻率因子由3.48×10-7cm2/s降為2.34×10-7cm2/s。在以柱晶銅為基體的擴(kuò)散偶中，離子輻照對(duì)銅的再結(jié)晶行為產(chǎn)生了顯著的加速作用。在以多晶銅為基體擴(kuò)散偶中，離子輻照對(duì)銅鎳界面的擴(kuò)散無顯著影響，顯示晶界對(duì)長程效應(yīng)的阻礙特性。正電子分析顯示，離

8、子輻照導(dǎo)致未輻照次表面空位類缺陷含量降低。提出了離子輻照長程加速置換擴(kuò)散的機(jī)制：擴(kuò)散的長程加速不是由輻照損傷缺陷擴(kuò)散至銅鎳擴(kuò)散偶位置所導(dǎo)致，而是由于離子輻照誘發(fā)的晶格振動(dòng)孤子效應(yīng)降低了擴(kuò)散偶附近晶體的空位遷移能，使擴(kuò)散系數(shù)增大。
　　銅-鎳擴(kuò)散試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，銅元素在鎳鍍層表面發(fā)生偏聚，離子輻照導(dǎo)致表面偏聚效應(yīng)顯著增強(qiáng)，偏聚深度達(dá)到約500nm，隨樣品厚度的降低，表面偏聚效應(yīng)更加顯著。結(jié)合離子輻照對(duì)單晶銅缺陷狀態(tài)長程影響的試驗(yàn)結(jié)果，提