Модификация свойств конструкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы

Abstract

Приведен анализ современного состояния экспериментальных и теоретических исследований по модификации конструкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы с плотностями мощности 0,1–1000 МВт/см2. Показано, что плотность вложенной в мишень энергии и длительность облучения являются главными факторами, определяющими спектр протекающих в веществе процессов. Возможна реализация двух режимов облучения: докритического и закритического. В докритическом режиме облучения вещество мишени остается в твердом состоянии или же переходит в жидкое, в закритическом режиме происходит формирование плазменного факела и его последующий разлет со скоростью более 103 м/с. Переход от докритического к закритическому режиму носит пороговый характер. Обсуждаются механизмы формирования полей механических напряжений в облучаемой мишени, которые представляют собой распространяющуюся со скоростью звука ударную волну, а также локализованные вблизи облучаемой поверхности напряжения, обусловленные неоднородным по объему полем температур. Описана природа явлений сглаживания микрорельефа облучаемой поверхности и образования на ней микрократеров. Показано, что проявление того или иного явления определяется режимом облучения. Проведен анализ явления массопереноса за счет процессов диффузии, термокапиллярной конвекции и развития неустойчивости Рихтмайера–Мешкова в зависимости от режима облучения. Облучение твердых тел приводит к увеличению плотности дислокаций, в основ- ном, за счет сдвиговой составляющей локализованных напряжений. Уменьшение дли- тельности облучения приводит к более высоким скоростям деформаций, что вызывает более эффективную наработку дислокаций из-за более высоких значений сдвиговых напряжений. The irradiation modes with the inherent physical processes and the role of different mechanisms in formation of the properties of treated materials are surveyed. The irradiation can be divided onto two modes: subcritical and supercritical. In the subcritical irradiation mode a target material remains in the solid state or melts. In the supercritical regime the formation of plasma torch and its subsequent expansion at a rate of more than 103 m/s are observed. The transition from subcritical to supercritical mode has a threshold character. The mechanisms of mechanical stresses formation under irradiation are discussed, these stresses are the shock wave propagating with a sound velocity and the localized near the irradiated surface stresses arising due to the nonhomogeneous space distribution of the temperature in target material. The reasons of target surface smoothing and of crater formation are given. It is shown that the manifestation of one or another phenomenon of irradiation is determined by its mode. The analysis of mass transfer occurring due to diffusion, thermocapillary convection or development of Richtmyer-Meshkov instability is carried out in accordance with the irradiation mode. The irradiation of the solids leads to the deformation hardening mainly at the expense of shear component of the localized stresses. The decrease of the irradiation duration provokes the high strain rate and the high level of shear stresses that both provide more effective generation of dislocations.