Программа расчета напряжений при радиационном облучении металлических сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программа расчета напряжений при радиационном облучении металлических сплавов

Развитие систем генерации мощных пучков электронов и ионов создало уникальную возможность получения новых видов воздействия концентрированных потоков энергии с поверхностью материала. Процессы, сопровождающие такое взаимодействие, могут использоваться для решения большого числа научных и технологических задач, в том числе: модификация прочностных, триботехнических, антикоррозийных свойств металлов и сплавов; синтез новых композиционных материалов, включающих метастабильные фазы и соединения; получение тонких пленок и покрытий. Для того чтобы выбрать эффективный режим обработки поверхности изделий, очень важно знать зависимости, влияющие на прочностные свойства поверхности такие как: распределение поглощенной дозы по глубине проникновения в образец, распределение внедренной примеси, распределение температуры по глубине и другие. Как показывают экспериментальные исследования, в ряде случаев, облучение способствует образованию различного рода дефектов кристаллической решетки. А вследствие неравномерного нагрева в материале возникают термомеханические напряжения, иногда приводящие к образованию поверхностной сетки трещин в материале. Поэтому, немаловажно знать распределение продольных и поперечных напряжений в материале, подвергающемуся импульсному воздействию пучков электронов и ионов.

Представленный продукт «Программа расчета напряжений при радиационном облучении металлических сплавов» может оказаться полезным в выборе наиболее эффективного режима обработки поверхности металлического изделия.

Алгоритм, реализуемый в программе, основан на теоретических моделях, описывающих процессы взаимодействия мощных пучков электронов и ионов с поверхностью образца бинарного сплава с помощью дифференциальных уравнений. При разработке программного продукта, были подобраны разностные схемы и краевые условия, дающие достаточно устойчивые решения. Зависимости, полученные при апробации программы для сплавов, близки к аналитическим и экспериментальным результатам, приведенным в литературе.

В программе задаются физические характеристики облучаемого материала (процентное содержание химических элементов, плотность, удельная теплоемкость и др.), а также характеристики облучаемого пучка (тип налетающих частиц, их кинетическая энергия, поток и время облучения). Далее программа рассчитывает следующие зависимости: распределение поглощенной дозы от глубины проникновения при облучении электронами и ионами, распределение внедренной примеси при ионной имплантации, распределение концентрации смещенных атомов кристаллической решетки, распределения температуры по глубине при облучении электронами и ионами, а также распределения продольных и поперечных напряжений.

Для удобства работы с программным продуктом, чтобы можно было варьировать параметрами облучения и, тем самым отслеживать изменения в полученных зависимостях, предложен пошаговый интерфейс. На каждом шаге производится расчет той или иной зависимости распределения. Каждый элемент интерфейса (кнопка или поле) сопровождаются всплывающими подсказками при наведении курсора мыши. Имеется строка комментария, где описывается каждый этап работы. Также предусмотрен переход и возврат к нужному шагу программы.

На рис. 1 представлен вид интерфейса первого шага программы, на котором производится ввод процентного состава, физических характеристик образца и их сохранение. Этот шаг позволяет создавать базу данных образцов для дальнейшей работы.

Рис.1

На втором и последующих шагах производится расчет следующих зависимостей:

§ Шаг.2, Расчет зависимости поглощенной дозы для электронного облучения образца в зависимости от глубины;

§ Шаг.3, Расчет распределения концентрации имплантированных ионов по глубине;

§ Шаг.4, Расчет распределения поглощенной дозы при ионной имплантации;

§ Шаг.5, Распределение концентрации смещенных атомов при ионной имплантации;

§ Шаг.6, Расчет распределения температуры для электронного облучения образца в зависимости от глубины;

§ Шаг.7, Расчет распределения температуры для ионного облучения образца в зависимости от глубины.

§ Шаг.8, Расчет распределения продольных внутренних напряжений по глубине при электронном облучении.

§ Шаг.9, Расчет распределения продольных внутренних напряжений по глубине при ионной имплантации.

§ Шаг.10, Расчет распределения поперечных внутренних напряжений по глубине при электронном облучении.

§ Шаг.11, Расчет распределения поперечных внутренних напряжений по глубине при ионной имплантации.

На панели интерфейса имеется заголовок только того шага, с которым работает пользователь. Заголовки остальных шагов не прописаны. Чтобы получить информацию, необходимо навести курсор мыши на номер шага в правой части панели и его заголовок появится в виде всплывающей подсказки.

Для того чтобы произвести расчет зависимости термомеханических напряжений по глубине облучаемого образца электронами или ионами на шагах 8, 9, 19 или 11, программа автоматически выполняет необходимые вычисления по предыдущим шагам.

В качестве примера, рассмотрим расчет распределения термомеханических напряжений по глубине при электронном облучении образца стали 50Х6ФМС импульсным пучком в восьмом шаге программы. На рис. 2 представлен вид интерфейса этого шага, на котором расположены поля для ввода параметров облучаемого пучка (плотность тока, время действия и др.) и список исследуемых образцов, характеристики которых задаются в первом шаге программы. После проведения расчета, программа позволяет просмотреть численные значения полученной зависимости и график распределения продольных напряжений по глубине с помощью кнопок, расположенных на панели интерфейса. Полученные результаты выводятся на экран монитора в форме дочерних окон, представленных на рис. 3 и рис. 4. График, распределения продольных напряжений по глубине на рис. 4, соответствует параметрам пучка на рис.2: плотности тока 0,8 кА/см2, времени действия 100 нс при кинетической энергии электронов 0.5 МэВ. Выбранный материал представляет собой сплав (Fe94 Cr6), в котором содержится почти 94% железа 6% хрома. На графике видно, что волна термоупругих напряжений за время импульса облучения проникает на глубину порядка 0,9 мм, слой от поверхности образца до глубины 0,24 мм находится в области разряжения, а далее следует область сжатия.

Рис.2

График, построенный моделированием, наглядно демонстрирует, что максимум напряжения в области разряжения превосходит предел прочности облучаемого материала (470 МПа), что может привести к растрескиванию поверхности. Следовательно, обработку поверхности импульсными пучками необходимо производить при более низких плотностях тока, либо при меньшем времени импульса.

На рис. 5 представлен график распределения поперечных напряжений по глубине, рассчитанные на девятом шаге программы при тех же параметрах пучка.

Аналогичные расчеты термоупругих напряжений можно провести при облучении металлических бинарных сплавов импульсными пучками ионов по шагам 10 и 11. На рис. 6 представлен график распределения продольных напряжений при облучении образца стали 50Х6ФМС потоком ионов молибдена с энергиями 500 МэВ и плотностью потока 1019 ион/м2/с и временем импульса 100 нс, полученный путем расчета на десятом шаге программы.

Рис.3

генерация сплав программа график

Рис.4

Рис.5

Рис.6

Размещено на Allbest.ru