На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Работа № 96698


Наименование:


Курсовик Структурно-фазовое состояние меди, вольфрама и титана после воздействия мощными ионными пучками

Информация:

Тип работы: Курсовик. Добавлен: 05.05.2016. Сдан: 2015. Страниц: 31. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра физики твёрдого тела


КУРСОВАЯ РАБОТА

Структурно-фазовое состояние меди, вольфрама и титана после воздействия мощными ионными пучками


Студента III курса

Научный руководитель
Доцент, кандидат физико-математических наук


МИНСК 2015
Содержание
Введение 3
1 Модификация материалов с помощью высокоинтенсивных короткоимпульсных ионных пучков 4
1.1 Параметры мощных ионных пучков (МИП) 4
1.2 Технологическое применение МИП 6
1.3 Особенности взаимодействия МИП с твердым телом 7
1.4 Упрочнение изделий с использованием мощных ионных пучков (МИП) 10
1.5 Применение быстрого нагрева поверхностного слоя материалов 11
2 Объекты и методы исследования 13
2.1 Объект исследования 13
2.2 Исследование фазового состава (рентгеноструктурный анализ) 13
2.3 Оже-электронная спектроскопия 14
2.4 Морфология поверхности(РЭМ) 16
2.5 Микротвердость (твердость по Виккерсу) 18
3 Экспериментальные результаты и их обсуждение 20
3.1 Тепловой эффект воздействия мощных ионных пучков 20
3.2 Элементный состав образцов 22
3.3 Фазовый состав образца 24
3.4 Микротвердость 29
Выводы 31


Введение

Источники мощных ионных пучков начали разрабатываться с середины 70-х годов в основном для исследований, связанных с реализацией инерционного управляемого термоядерного синтеза. Мощные ионные пучки (МИП) в течении нескольких последних лет изучаются в Японии, России, Германии и США в части применения их для модификации материалов. На сегодняшний день они имеют большие перспективы, так как позволяют воздействовать на очень тонки слой материала и при этом легировать определенный элемент, т.е, позволяют получить одновременно механическое и термическое воздействие на материал, изменяя при этом его физико-механические свойства. При облучении МИП многие материалы показывают увеличение износостойкости, усталостной прочности и твердости. Установки по генерации МИП создают обычно пучки с током в несколько десятков кА и напряжением в сотни и тысячи кВ в импульсе с продолжительностью 50-1000 нс. Хотя они все называются «ионными пучками», фактически это пучки нейтральной плазмы – пучки ионов и поверхностных электронов для обеспечения квази-нейтральности.


1 Модификация материалов с помощью высокоинтенсивных короткоимпульсных ионных пучков


1.1 Параметры мощных ионных пучков (МИП)

Физические основы методов создания ускоряющих полей для ионов базируются на общих принципах электродинамики. Существует два основных пути ускорения ионов: коллективные и прямые. Коллективные методы — это методы, основанные на использовании некой «среды» для ускорения ионов, например электронного облака, авторезонанса, инжекции импульсного сильноточного электронного пучка в газ и др. Прямые методы генерации МИП основаны на получении плазмы в двух основных системах: системах с магнитной изоляцией и отражательных системах. Системы с магнитной изоляцией представлены магнитно-изолированными диодами (два электрода: анод и катод) и диодами с линчеванием (сжатием под действием собственного магнитного поля) пучка электронов. Достоинством диодных систем на основе магнитно-изолированных диодов является то, что поперечное магнитное поле в диоде тормозит движение плазмы с электродов. Это позволяет изменять в широких пределах паузу между импульсами и, следовательно, оптимизировать режим работы ускорителя. Кроме этого, магнитное поле обеспечивает более быстрое движение плазмы вдоль магнитных силовых линий (вдоль поля), т.е. «растекание» плазмы по поверхности электрода, что позволяет формировать однородные эмиссионные границы и увеличивать ток пучка. К отражательным системам относятся двойные диоды, симметричные и асимметричные триоды (три электрода), тетроды (четыре электрода) и плазмонаполненные системы.
Технологические ускорители МИП оснащены в основном дуговыми и взрывоэмиссионными плазменными диодными источниками ионов. Схема типичного диодного источника с фокусировкой пучка показана на рисунке 1.1.1:

Рисунок 1.1.1–Схема типичного диодного источника с фокусировкой пучка

Ионы «вытягиваются» электрическим полем из плазмы и ускоряются к мишени. Возможны различные методы создания плазмы в диоде. Например, в пассивных диодных системах плазма создается путем импульсного пробоя по поверхности диэлектрических вставок на аноде и электронной бомбардировкой анодной поверхности. Недостатком та-ких источников ионов является низкий ресурс работы. Плазма может инжектироваться в диодную систему из внешнего источника плазмы. Достоинством таких источников является то, что можно получать ионные пучки различного состава. Однако их специфика состоит в том, что для получения широкоапертурных пучков необходимо на аноде диода создавать однородный слой плазмы. Перспективными для технологических целей являются источники с использованием взрывной электронной эмиссии не-посредственно в диоде для создания плотной плазмы, заранее заданного состава.
Импульсное электропитание взрывоэмиссионного диода организовано весьма оригинально. Первый (отрицательный) импульс высокого напряжения от специального генератора (со сдвоенными высоковольтными импульсами напряжений) прикладывается к электроду (аноду) и инициирует образование плазмы, а второй (положительный) импульс является ускоряющим.
В действующих ускорителях МИП применяются различные диодные источники. Например. ТЕМП-1 оснащен диодом с самоизоляцией. ТЕМП-2 — диодом с внешнем магнитной изоляцией. МУК — магнитно-изолированным диодом полоскового типа с внешним магнитным полем, ВЕРА — двойным диодом. ЛУЧ — оснащен диодом с линчеванием электронного пучка.
Электроды диодной системы могут быть плоскими или изогнутыми. например по цилиндрической поверхности. Принципиальная схема плоского диода с внешней магнитной изоляцией приведене на рисунке 1.1.2:

Рисунок 1.1.2–Принципиальная схема плоского диода с внешней магнитной изоляцией:
1–вакуумная камера; 2–анод; 3–катод; 4–коллимированный цииндр Фарадея;
5–ввод от емкостной батареи

Ниже на рисунке 1.1.3 приведена диодная система для получения ионных пучков с большим поперечным сечением (d>= 100 мм):


Рисунок 1.1.3–Диодная система для получения ионных пучков с большим поперечным сечением (d? 100 мм):
1–трансфонрматоры; 2–анод; 3–анодное покрытие; 4–катодная решетка; 5–пучок;
6–мишень

Это магнитоизолированный диод с пассивным плазмообразующим полиэтиленовым покрытием на аноде (площадь анода 200 см2) является источником ионов ускорителя ТЕМП. Симметричная схема диода с двумя трансформаторами тока даст ряд преимуществ, включая условия транспортирования пучка ионов к мишени. Изогнутые электроды позволяют фокусировать пучок и увеличивать плотность тока.
Источники МИП генерируют мощные импульсные (?= 10-7 с) ионные (Н+, С+ Вe+, Аl+, Мg+, Fe+, W+ и др.) потоки с высокими плотностями тока (от 10 до 250 А/см2) в широком интервале энергии ионов от 100 до 600 кэВ. Наиболее эффективными для ионной обработки оказались легкие ионы (водород, углерод, азот и др.). вследствие их доступности и значительных пробегов в мишени. Ионные пучки мощных ускорителей имеют поперечное сечение от 1-3 см2 до 200 см2, что позволяет облучать средне- габаритные детали и инструмент за один прием (загрузку). Основные параметры ускорителей семейства ТЕМП, созданных в НИИЯФ ТПУ:
Название ускорителя Энергия ионов, кэВ Плотность тока, А/см2 Частота следования импульсов, мин-1 Сечение пучка, см-2
ТЕМП-1 300 40-150 15 20-100
ТЕМП-2 400 40-250 5 20-200
ТЕПМ-3 40-150 40-150 40 40-100
ТЕПМ-4 150 1-20 600 180
Примечание. Состав ионного пучка в ускорителях:
Темп-1 – Сn+ (70%) + H+ (30%); ТЕМП -2 – Сn+ (40%) + H+ (60%);
МУК-М – анод из Al: Aln+ (70%) + (Cn+ + H+ ) (30%), анод из полиэтилена:
Сn+ (70%) + H+ (30%)
Таблица 1.1.1–Основные параметры мощных ионных пучков

1.2 Технологическое применение МИП

С точки зрения изменения структурно-фазового состояния и, следовательно, модифицирования материалов, интерес представляют МИП с плотностью мощности до 107—108 Вт/см2. Для этого интервала плотности мощности перечислим процессы, протекающие в поверхностном слое материалов при воздействии МИП:
–быстрый нагрев до плавления и испарения;
–распыление и образование пара и плазмы над поверхностью;
–возбуждение волн сжатия за счет импульса отдачи (при образовании пара), создание сложного напряженного состояния под действием значительных градиентов температуры и распухания имплантированного слоя;
– ионная бомбардировка и имплантация.
Каждый из этих процессов может быть использован в радиационной технологии получения и обработки материалов. В целом МИП могут применяться для модифицирования структурнофазового состояния и, следовательно, свойств материала, определяемых этим состоянием, синтеза новых структурно-фазовых состояний и материалов, созданий и материалов, создания покрытий и пленок путем осаждения распыляемых(испаряемых) атомов, создания заданного рельефа поверхности, производства ультрадисперсных (наноразмерных) порошков и разрушения (резки, фрагментации) мишени.


1.3 Особенности взаимодействия МИП с твердым телом

Физической основой любой пучковой технологии является взаимодействие ионов с мишенью. При низко интенсивных пучках результат взаимодействия определяется суммированием взаимодействия отдельных ионов. С ростом интенсивности пучка результат взаимодействия ионов определяется коллективным взаимодействием с твердым телом всего ансамбля частиц. В отличие от лазерного излучения и электронного пучка, ионный пучок, воздействуя на вещество, изменяет его энергетическое и зарядовое состояние, изменяет элементный состав, воздействует как носитель массы.
При рассмотрении взаимодействия МИП с твердым телом важными являются: нахождение распределения термализованных (достигших температуры среды) частиц, поглощенной энергии и степени радиационного повреждения мишени: изучение доли отраженных частиц и степени распыления мишени; изучение спектра вторичных излучений, процессов перезарядки и др. Весьма важным является рассмотрение коллективного взаимодействия пучка с мишенью, образование паро-плазменной подушки на поверхности мншени и взаимодействие пучка с этой плазмой. Характер взаимодействия зависит от плотности мощности пучка. При плотности мощности более 104 Вт/см2 результат воздействия ионного пучка зависит не только от параметров ионов (энергии, массы, заряда) и физических свойств (спектра возбуждений, плотности) мишени, но и от параметров пучка в целом (плотность мощности, форма импульса) и макроскопических свойств мишени (теплопроводности, теплоемкости, предела прочности, модуля упругости и др.) и состава мишени. При увеличении плотности мощности пучка ионов более 107 Вт/см2 необходимо учитывать испарения атомов мишени, ионизацию паров (образование плазмы), излучение плазмы. При плотности мощности более 1013 Вт/см2 проникновение пучка в вещество сопровождается измене-нием макро- и мнкропараметров среды за время импульса.
В технологических задачах используются пучки средней интенсивности, достаточной для быстрого разогрева мишени до фазового перехода. Взаимодействие таких пучков с мишенью носит коллективный характер и характеризуется большими температурными градиентами, высокими механическими напряжениями и изменением состояния и свойств мишени, а при определенных условиях и сильным поглощением ионов образующейся плазмой. Тепловая составляющая воздействия МИП на твердое тело существенно больше радиационной. Большое влияние на результаты воздействия МИП оказывают спектральный и массовый состав пучка и угловое распределение частиц.
Проникновение МИП в мишень характеризуется малыми пробегами и страгглингом, и поэтому поверхностный слой быстро нагревается до высоких температур, создавая значительные градиенты температуры. Величина градиента температуры зависит от параметров пучка и теплофизических свойств материала, и в первую очередь от теплопроводности. Импульсный характер воздействия МИП определяет высокие скорости нагрева и охлаждения мишени. Временные параметры взаимодействия МИП с твердым телом характеризуются следующими величинами: типичная длительность импульса 1-100 нс, время торможения иона в твердом теле 10-3-10-2 нс, время установления локального термодинамического равновесия в треке иона 0,1-1 нс. При этом отметим, что характерное время распространения теплоты более 1 мкс. Выделенную энергию пучка в узком поверхностном слое (толщиной - 1 мкм) можно рассматривать как источник энергии. Типичное распределение выделенной (поглощенной мишенью) энергии показано на рисунке 1.3.1:


Рисунок 1.3.1–Типичное распределение выделенной (поглощенной мишенью) энергии:
1–ускоритель ТЕМП; 2–ускоритель Темп-2; 3–ускоритель ТЕМП-3;

Выделенная энергия формирует определенное поле температур (распределение по глубине мишени), изменяемое как во время импульса, так и после. Параметры распределения температуры в начальный момент времени будут, в основном, определяться энергией ионов, плотностью потока (плотностью мощности) и длительностью импульса. Закономерности эволюции температурного поля будут зави-сеть от характера теплоотвода и, следовательно, свойств материала мишени, ее размеров. Проведенные расчеты показали, что разогретая область охлаждается со скоростями - 106 К/с, а в начальные моменты времени в окрестности пробега ионов еще быстрее. Более того, при энергиях ионов – МэВ, когда максимум энерговыделения лежит в зоне проективного пробег ионов, отстоящей от поверхности на расстоянии - мкм, после окончания импульса воздействия приповерхностный слой продолжает нагреваться в течение – 10-5с, со скоростью порядка 106 К/с за счет теплоотвода из внутренних областей. По окончании этого времени начинается охлаждение приповерхностного слоя мишени со скоростью – 106 К/с. На рисунке 1.3.2 показана эволюция температурного поля алюминия, облученного импульсом протонов прямоугольной формы {Е=10 МэВ, j=0,9 кА/см2, tимп= 10 нс):


Рисунок 1.3.2–Эволюция температурного поля алюминия, облученного импульсом
протонов прямоугольной формы(E=10МэВ, j=0,9 кА/см2, tимп=10 нс):
1– ускоритель ТЕПМ-1;
2– ускоритель ТЕМП-2;

Проникновение МИП сопровождается высокоскоростным и неоднородным разогревом материала, вызывающим возникновение упругих напряжений и деформации мишени. Например, при энергетическом вкладе пучка ионов – 106 Дж/кг внутри облучен-ной области возникают термические напряжения -1010 Па, вызывая расширение вещества. Рзультаты расчета деформации алюминиевой мишени, облученной протонами с энергией 5 МэВ (прямоугольная форма импульса) и плотностью тока 30 А/см2 показаны на рисунке 1.3.3:

Рисунок 1.3.3–Результаты расчета деформации алюминиевой мишени, облученной
Протонами с энергией 5 МэВ (прямоугольная форма импульса) и плотностью тока
30 А/см2:
U–деформация (штрихпунктирная линия); ?U/?x–(сплошные линии); R– пробег ионов в мишень; x–текущая координата по толщине мишени; t–время после облучения

Как видно деформации (и напряжения) возрастают со временем, распространяясь (со скоростью звука) в обе стороны от точки проективного пробега (х = Rр), причем максимум деформации V лежит в окрестности проективного пробега Rр. Напряжение в облученной области положительное (сжатие), а за ее пределами отрицательное (растяжение). При достижении растягивающим напряжением предела прочности материала мишени должен происходить откол мишени, толщина которого определяется не только размером облученной области в направлении потока, но и интенсивностью пучка. Напряжения, наведенные МИП-облучением, достаточно быстро спадают, что видно из эпюр механических напряжений облучаемой пучком протонов.
Воздействие на материалы ионных пучков с плотностью мощности более 107 Вт/см2 сопровождается его нагревом до весьма высоких температур и возникновением давлений порядка 1013 Па. Большие градиенты давлений в областях малого объема вызывают сложное гидродинамическое движение вещества. Начальной стадией такого движения являются вынос вещества с облученной поверхности в виде пара и плазмы и распространение волны сжатия (импульса отдачи пара и плазмы) в глубь мишени. На этой стадии взаимодействия МИП с мишенью важную роль будут играть термодинамические свойства материала, в частности теплота сублимации, давление насыщенных паров, температуры плавления и кипения, а также энергия ионизации атомов. При гидродинамическом движении вещества происходит изменение роли теплопроводности, как основного механизма передачи энергии из облученного слоя вглубь мишени. Когда температура вещества превышает примерно 105 К, существенными становятся лучистая теплопроводность и потери на излучение.
Таким образом, в зависимости от параметров ионного пучка и свойств материала мишени, в результате воздействия МИП можно осуществлять внедрение ионов (имплантацию) и образование радиационных дефектов, нагревание мишени до наперед заданных температур, формировать в мишени напряженное состояние, разрушать мишень путем откола ее части или перевода определенного слоя в плазму.

1.4 Упрочнение изделий с использованием мощных ионных пучков (МИП)

Упрочнение изделий при воздействии МИП основано на структурных изменениях поверхностного слоя. Они характеризуются формированием перскристаллизационного слоя глубиной ~1-10 мкм. Перекристаллизация препятствует развитию существующих микротрещин, движению дислокаций, влияет на микротвердость За смет растворенного и адсорбированного углерода и перемешивания компонент поверхностного слоя образуются карбиды. Образование заметной доли карбидов ведет к увеличению микротвердости. В зависимости от теплофизических свойств металла и параметров пучка наблюдается образование своеобразного микрорельефа. Для некоторых металлов (например, титана и ряда сплавов на его основе) наблюдается эффект полировки. В совокупности эти процессы приводят к модификации поверхностного слоя, улучшению эксплуатационных свойств некоторых изделий: электроэрозионной стойкости, уменьшению коэффициента трения, износостойкости, коррозионной стойкости (при испытаниях на солевую коррозию).
Одно из первых направлений по применению МИП было связано с упрочнением режущего инструмента. Исследования проводились на изделиях из инструментальной стали Р6М5 и твердых сплавов. Исследования поверхностного слоя инструментальной стали методом ВИМС показали увеличение содержания карбидов железа в поверхностном слое, изменение работы выхода. Изменение дефектной структуры наблюдалось вплоть до 40-50 мкм от поверхности, при этом микротвердость также увеличивалась на этих глубинах. Причем, это увеличение выражено гораздо больше, если предварительно до облучения наносилась пленка бора. В поверхностном слое образуется нанокристаллическая структура. Характер износа режущей кромки при точении также изменяется от выкрашивания и резких кромок к плавному профилю износа. Структурные и химические изменения поверхностного слоя приводят к увеличению стойкости сверел, метчиков в несколько раз. Это увеличение подтверждено для отдельных размеров инструмента рядом актов заводских испытании.
Проведены исследования по упрочненшо изделий порошковой металлургии - твердосплавных режущих пластин на основе карбида вольфрама и карбида титана. На рис 1.4.1 для подтверждения этому приведены кривые времени резания сплава ВТ-3 в заводских условиях специальными пластинами из твердого сплава ВК-7. При обработке МИП с дополнительной термообработкой время резания (при износе по задней поверхности до 0,6 мм) более, чем в 3 раза (t3/t1) превышало исходное значение.


Рисунок 1.4.1– Зависимость величины износа твердосплавных пластинок BK-7по задней кромке h, от времени резания по сплаву BT-3:
1– исходная пластина; 2–пластина, упрочненная только воздействием МИП;
3– обработка МИП с дополнительной термообработкой

1.5 Применение быстрого нагрева поверхностного слоя материалов

Регулируемый быстрый нагрев мишени при использовании МИП при плотностях мощности 106 - 107 Вт/см2 позволяет осуществлять ряд технологических операций в результате сверхбыстрой закалки сплавов без изменения рельефа поверхности. При этом закалка осуществляется за счет быстрого охлаждения мишени (107-109 К/с) вследствие быстрого теплоотвода вглубь мишени по механизму теплопроводности. Составляющая излучения нагретой поверхности много меньше теплопроводности мишени. Скорости нагрева и остывания мишени зависят от поглощенной энергии и свойств материала.
Сверхбыстрая закалка в твердом состоянии эффективна для обработки сплавов с переменной (при изменении температуры) растворимостью легирующих элементов в основе сплава, а также при наличии в сплавах фазовых переходов (превращений). К числу таких сплавов относится большинство сталей, сплавов титана, циркония и других элементов таблицы Д.И. Менделеева. Быстрые нагрев и охлаждение таких сплавов дают возможность получать упрочнение за счет искажений закаленной кристаллической решетки, полученных в результате пересыщения решетки легирующими элементами, примесями и дефектами структуры, за счет увеличения энергии межатомной связи при переходе атомов в твердый раствор и возникновения упругих искажений решетки, за счет измельчения структурных элементов (зерен, фаз) и индуцирования упругих напряжений в мишени. При быстрой закалке, например сталей, кроме эффекта пересыщения низкотемпературного твердого раствора (феррита, мартенсита) углеродом и легирующими элементами, происходит существенное измельчение зерна и частиц цементита (и других фаз), что повышает твердость и прочность закаленной стали. В частности, показано, что при МИП обработке инструментальной стали (энерговыделение 10 ± 3 Дж/см2, длительность импульса 40 нс, энергия ионов 0,5- 1,0 МэВ) смешанным пучком ионов Н+ и С+ происходит растворение карбидов и переход углерода в твердый раствор ?-Fe. Это воздействие также измельчает зерна (до размера 20 нм). В результате обработки микротвердость инструментальной стали возросла с 330 до 900 МПа. Работоспособность обработанного инструмента возросла в 1,7-3,5 раза. Нужно иметь в виду, что перед обработкой материалов требуется тщательный подбор параметров пучка. При избыточной плотности тока возможен эффект разупрочнения некоторых материалов. Это наблюдали при обработке высокотемпературных сплавов титана, в результате которой мик-ротвердость снизилась 360 до 200-280 МПа....


Выводы
В данной работе образцы меди, вольфрама и титана были подвергнуты воздействию мощных ионных пучков с плотностью поглощенной энергии 0,3-2,5 Дж/см2. Исследован элементный состав образцов с помощью оже-электронной спектроскопии, который показал глубину проникновения углерода в образцах. Воздействие мощных ионных пучков привело к появлению у меди оксида Cu2O, у вольфрама образовался карбид WC и оксид WO2. У титана же после воздействия мощных ионных пучков новых фаз не обнаружено. Микротвердость образцов изменилась: у меди титана она возросла, у вольфрама уменьшилась.



Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть похожие работы

* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.