Способ определения коэффициентадиффузии Советский патент 1981 года по МПК G01N13/00 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ

Изобретение относится к материало ведению и может быть использовано для изучения процессов диффузии при высоких температурах. Известны способы определения коэф фициентов диффузии с помощью,радиоактивных индикаторов, например спосо снятия слоев и измерения интегрсшьнс активности оставшейся части образца предварительно нанесенным тонким слоем активного элемента, подвергнутого диффузионному отжигу 13К недостаткам способа относится трудоемкость, сложность аппаратурного оснащения, необходимость разрушения образца. Способ не может быть применен для изучения диффузии элементов , не имекидих долгоживущих ради активных изотопов, а также диффузии в радиационных полях. Наиболее близким техническим решением является способ определения коэффициента диффузии, заключающийся в нагружении образца, регистрации его деформации и вычислении значени коэффициента диффузии по времени неупругого последействия 23Недостаток указанного способа его ограниченная область пЕН1менения Способ используется для изучения диффузии примесей, внедрения в не-, которых металлах с кубической решеткой и требует точного измерения деформации образца, что вызывает определенные затруднения при проведении экспериментов в труднодоступных условиях. Одновременное определение коэффициентов диффузии различных элементов в сложной матрице возможно лишь в случае существенного различия времени релаксации компонентов. Цель изобретения - расширение класса исследуемых материалов. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициента диффузии, вйлючающем нагружение исследуемого образца и вычисление коэффициента диффузии по времени реакции образца на механическое воздействие , в образце, находящемся под действием постоянного напряжения, регистрируют акустическую эмиссиюи по времени достижения максимума пика интенсивности акустической эмиссии судят о коэффициенте диффузии. Коэффициент диффузии, соответствующий определенному компоненту при. условиях проведения экспериментов, определяют по отношению L О К - , где D - коэффициент диффузии} L - средний размерзерна; t - интервал времени от момента нагружения до достижения максимума пика интенсивности акустической эмиссии (АЭ), К - коэффициент пропорциональности. По количеству пиков интенсивност АЭ в одном эксперименте судят о количестве компонентов - видов точечных дефектов или их комплексов, про цесс и скорость диффузии которых выявляется способом. Для определения значения предэкс ненциального множителя и зависимости коэффициентов диффузии от температуры и напряжения проводят серию экспериментов включающую испытания 1не менее, чем при двух значениях температуры и двух напряжениях в сл чае одного выявленного компонента (один пик интенсивности АЭ) и не ме нее, чем при трех значениях темпера туры и двух напряжениях при каждой температуре в случае нескольких ком понентов. При таком количестве испы таний пики интенсивности АЭ легко идентифицируются по компонентам, поскольку точки, соответствующие величинам, обратным временным интер валам Т от приложения нагрузки до максимума в пике интенсивности АЭ для одной температуры и нескальких напряжений испытания (в координатах % ;е-S / 1Де О - напряжение), лежа на одной прямой для каждой диффунди рующего типа дефектов. Экстраполируя эту прямую к нулев му напряжению, оценивают коэффициен диффузии без напряжения по значению обратного временного интервала i/ в точке пересечения прямой с осью ординат. Наклон прямой в коодинатах Ig 0,6 характеризует активадионный объем. Далее строят зависимость коэффициента диффузии (без напряжения от температуры Т в координатах Чт имеющую в этом случае вид прямой линии. Количество прямых соответствует , количеству составлякнцих сложного диффузионного процесса. По наклону прямой определяют активации диффузии, по кото рой, в свою очередь - предэкспоненци альный множитель с учетом зависимости . О ч D DQ ехр(- - I где Q - энергия активации диффузии R - газовая постоянная. Идентификацию групп пиков интенсивности АЭ с элементами многокомпо нентного соединения производят, например, по значению кергий активации с привлечением литературных данных, либо с помощью прямых методов исследования структуры, таких, как металлография, последовательно изучая материал после появления каждого из пиков интенсивности АЭ. Практическая реализация предлагаемого способа может быть осуществлена при наличии аппаратуры для регистрации акустической эмиссии. Желательно, чтобы работа систем нагрева и нагружения установки не создавалапомех в диапазоне частот 0,1-1,0 МГц. Определение коэффициента диффузии производят на втулочных образцах двуокиси карбида урана в процессе испытания этих материалов на ползучесть в условиях сжатия при температурах до 1800К и направлениях до 80 МН/м на установке Уран. Для регистрации АЭ используют аппаратуру, собранную на основе стандартных радиометрических блоков серии Щегол-Б. Сигналы АЭ передают от нагретого образца на пьезоприемник с помощью звукопровода. При испытаниях гиперстехиометрической двуокиси урана в полосе частот 150-350 кГц обнаружены две группы пиков интенсивности АЭ с максимальными значениями интенсивности в пиках порядка десятков тысяч импульсов в секунду и продолжительностью каждого пика несколько минут. Энергии активации групп пиков составляют 31100 и 59200 кал/моль. Эти значения очень близки к энергиям активации диффузии двух групп внедренных атомов кислорода - тепловых, динамически равновесная концентрация которых зависит от температуры, и структурных, с концентрацией, зависящей от стехиометрии. Выражения, полученные предлагаемым способом, для описания температурной зависимости коэффициентов диффузии двух групп внедренных атомов кислорода, определяющих суммарный коэффициент , имеют следующий вид для структурной и тепловой составляющих: см-. . 1--6 / 31100. 10 ехр() ,5.() При температуре 1525К, как установлено по графику температурной зависимости коэффициентов диффузии кислорода, последние равны (прямые пересекаются) , что экспериментально подтверждается слиянием двух пиков интенсивности АЭ в один. Паспортное значение стехиометрии образцов связано с температурой равенства коэффициентов диффузии и соответствует данным указанной выше работы. Вычисленное значение активационного объема подтверждает диффузионное происхождение пиков интенсивноети АЭ. При ограниченном времени эксперимента в заданном размере зерна в указанном температурном интерва ле не появляются пики интенсивности A3, соответствукадие диффузии урана. Пики интенсивности АЭ зарегистрированы также для карбида урана. Трем партиям стехиометрического состава, 0,93, 1,02 и 1,05 ,имекяцим средний размер зерна 20, 55 и 90 мкм, соответствуют экспериментально определенные значения коэффициента диффузии 1,, 2,5.ia-8 и 6,7 10®см/с при температуре 1670К. Абсолютные коэффициента диффузии углерода и характер их зависимости от стехиометрического состава хорошо соответствуют опубликованньам данным Тауим образом, подтвержд ена возможность применения предлагаемого способа при высокотемпературных испытаниях в лабораторных условиях. Очевидно, что способ удобен и для применения в радиационных полях, поскольку методика регистрации АЭ с помощью звукопровода в этом случае практически не отличается от использованной при высокотемпературных измерениях,затухание ультразвуковых сигналов в стержневых звукопроводах незначительное, а пьезокерамика типа ЦТС обладает Хорошей радиационной стойкостью. Предлагаемый способ позволяет изучать характеристики объемной диффузии точечных дефектов и их комплексов в широком классе поликристаллических материалов, в том числе одновременно с исследованием ползучести соответствующих образцов используя способ, можно получить зависимости коэффициента диффузии от температуры и напряжения по данным испытания одного образца в различных режима1х, однако в этом случае пики интенсивности АЭ могут быть выражены все слабее с каждым новым режимом. Способ дает возможность выделять отдельные составляющие диффузионного процесса. Кроме того, способ позволяет достаточно точно определять диффузионные характеристики. Формула изобретения Способ определения коэффициента диффузии, включакяций нагружение исследуемого образца и вычисление коэффициента диффузии по времени реакции образца на механическое воздействие, отлича-ющийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых материалов, в образце, находящемся под действием постоянного напряжения, регистрируют акустическую эмиссию, и по времени достижения максимума пика интенсивности акустической эмиссии судят о коэффициенте диффузии. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Федоров Г,Б., Смирнов Е.А. Диффузия в реакторных материалах. М., Атомиздат, 1978, с. 7-10. 2.Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М., Металлургия, 1978, с. 37, 121 (прототип).