Влияние бета-облучения на механические свойства кристаллов LiF в нанои микрообъемах

УДК 548

ВЛИЯНИЕ БЕТА-ОБЛУЧЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ LiF В НАНО- И МИКРООБЪЕМАХ

© В.А. Федоров, Г.В. Новиков

Ключевые слова: тонкий слой; нано- и микротвердость; ионный кристалл; бета-облучение.

Методами нано- и микроиндентирования исследованы механические характеристики тонких поверхностных слоев кристаллов LiF, облученных бета-частицами. Установлены процессы, вызывающие превращения на поверхности кристалла в результате его облучения, и сопровождающее эти процессы изменение микро- и нанотвердости.

Вопросом изменения механических характеристик поверхности ионных кристаллов после воздействия ионизирующим излучением посвящено достаточно большое количество работ [1-4]. Несмотря на это, до настоящего времени не ослабевает интерес к исследованиям в области воздействия на ЩГК излучений различных флюенсов и энергий.

Цель работы: исследовать влияние фазовых превращений на поверхности ЩГК инициируемых бета-облучением на его механические свойства.

В качестве объекта исследования выступали кристаллы LiF, количество примеси в которых не превышало 10-5 w. %. Кристаллы выкалывали по плоскостям спайности {100} с размерами 5x5x5 мм. Полученные кристаллы облучались в течение 1 ч со стороны плоскости (100) в электронном микроскопе ЭМВ-100Л (при температуре 300 К). Энергия и флюенс бета-излучения составляли соответственно 75 кэВ и 4,3-1018 эл/м2. Для оценки изменения механических свойств кристаллов использовали метод измерения микротвердости при нагрузке на индентор микротвердомера ПМТ-3 - 20 г. Индентирование проводили на поверхности (001). Исследования морфологических особенностей деформации и разрушения кристаллов при микроиндентирова-нии проводили оптической и атомно-силовой микроскопией. Нанотвердость измеряли наноиндентомером Капот<1еп1ег 0200 с использованием алмазной трехгранной пирамидки Берковича, имеющим эффективный радиус острия 20 нм. Глубина внедрения инден-тора не превышала 50 нм. Отпечатки наносились на расстоянии 10 мкм друг от друга. На каждом образце проводилось по 10 измерений, затем результаты усредняли.

Таблица 1

Изменение микротвердости на облученной поверхности ЩГК в зависимости от времени облучения

KCl NaCl LiF

Без облучения, ГПа 0,17 0,22 1,31

Облучение - 1 ч, ГПа 0,20 0,27 3,20

Облучение - 2 ч, ГПа 0,23 0,42 3,41

Рис. 1. Изменение микротвердости LiF в объеме после облучения в течение 1 ч. Штриховой линией отмечено исходное значение микротвердости до облучения

Проводились исследования, направленные на установление изменений значений микротвердости ЩГК (LiF, KCl, NaCl) в зависимости от времени облучения (табл. 1).

Из рис. 1 видно, что микротвердость по глубине монотонно уменьшается до значений, характерных для необлученных образцов. В LiF глубина слоя с повышенными значениями микротвердости достигает 100 мкм.

Увеличение микротвердости поверхности ЩГК связано с упрочнением за счет радиационных дефектов. При этом возрастает и напряжение пластического течения. Наибольшее возрастание микротвердости наблюдается в кристаллах LiF. Величина микротвердости значительно возрастает после облучения по отношению к остальным кристаллам. Основным процессом, отвечающим за увеличение микротвердости в LiF, является блокировка пластической деформации, вызванной действием индентора, центрами окраски инициируемыми бета-излучением. Считается [5], что эффективными стопорами для движущихся дислокаций являются дырочные центры окраски (анион фтора), при большой концентрации которых в кристалле происходит рост напряжения пластического течения. В кристаллах хлоридов натрия и калия также образуются

1784

дырочные центры, но такого вклада в изменение пластичности не вносят [5]. В KCl, NaCl увеличение микротвердости происходит за счет смещения атомов налетающими бета-частицами.

Изменения значений микротвердости в объеме можно объяснить изложенным выше, но уже с учетом изменения концентрации дефектов и смещенных атомов в кристаллах по глубине.

Значения нанотвердости измеряли на кристаллах LiF после 60 мин. облучения, которые затем сравнивали с нанотвердостью необлученного кристалла. В табл. 2 представлены средние значения нанотвердости для проведенных экспериментов.

Таблица 2

Изменение нанотвердости на облученной поверхности LiF в зависимости от времени облучения

Время облучения Без облучения 60 мин.

Нанотвердость, ГПа 3,8-4,1 17,9-18

Модуль упругости, ГПа 180,5 188,2

О 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 S0

Глубина погружения, нм Глубина погружения, нм

а) б)

Рис. 2. Зависимости нагрузки, динамической нанотвердости и модуля упругости от глубины внедрения индентора в цикле нагружение - разгрузка: а) кристалл без облучения; б) после 60 мин. облучения

Полученные значения показывают, что в тонком поверхностном слое нанотвердость увеличивается в 4 раза после 60 мин. облучения по отношению к необ-лученному кристаллу (рис. 2).

Кривая нагрузки облученного кристалла показывает, что упругая составляющая деформации возрастает в отличие от необлученного кристалла.

Установлено, что в ЩГК при воздействии на поверхность (100) интенсивного бета излучения с энергией 50-75 кэВ в последнем формируются тонкие поверхностные слои с иными механическими свойствами. Толщина слоя зависит от энергии излучения и времени его воздействия и колеблется в интервале 60-120 нм. При этом отмечено возрастание упругой составляющей деформации, что связано с аморфизацией за счет образования смещенных атомов (более 10 % от поверхностных) и одновременно значительным повышением нанотвердости до 17-18 ГПа, что превышает значения нанотвердости закаленной шарикоподшипниковой стали ШХ-15.

ЛИТЕРАТУРА

1. Астахов М.В. Влияние внешних воздействий на залечивание микротрещин. Перспективные материалы: монография / НАН Белоруссии. Витебск: Изд-во УО «ВГТУ», 2009. 548 с.

2. Чиванов А.В., Новиков Г.В., Федоров В.А., Гриднев А.В. Поведение щелочно-галоидных кристаллов при бета-облучении // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 3. C. 1097-1098.

3. Чиванов А.В., Новиков Г.В., Глушков А.Н., Чемеркина М.В. Изменение прочностных характеристик кристаллических материалов под воздействием УФ-излучения // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 6. С. 1824-1828.

4. Петров В.И. Катодолюминесцентная микроскопия // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. № 8. С. 859-871.

5. Baraban A.P., Semykina E.A., Vaniouchov M.B. Electroluminescence from thin silicon dioxide films // Phys. Low. Dim. Str. 2000. № 3/4. Р. 27-36.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-01-97519

р_центр_а) и госзадания 1.691.2011.

Поступила в редакцию 29 апреля 2013 г.

Feodorov V.A., Novikov G.V. INVESTIGATION OF BETARADIATION ON MECHANICAL PROPERTIES CRYSTALS LiF OF NANO- AND MICROVOLUME

Mechanical properties of thin surface layers of LiF irradiated beta particles are investigated by methods of nano- and microindentation. Processes causing phase transformation on the surface of the crystal as a result of exposure, and the accompanying change in the processes of micro- and nano-hardness are established.

Key words: thin layer; nano- and microhardness; ionic crystal; beta-radiation.

1785