Способ определения коэффициентадиффузии

Союз Советских Соцнапнстичесмиз Республнк(22) Заявлено 30,1179 (21) .2846801/18-25с присоединением заявки Йо(51)М, Кл,6 01 М 13/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий.На Московский орденаТрудового Красного Зн инженерно-физический институт) Заявите 54 СПОС ЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ диффуэи которых кой и т деформа Цопределедении зкных услление коных элемможно лразличинентов. 5 шь вр Цель изобретения - расширениса исследуемых материаловПоставленная цель достигаетстем, что в способе определенияциента диффузии, включающем нагжение исследуемого образца и выление коэффициента диффузии помени реакции образца на механичвоздействие, в образце, находящпод действием постоянного напрярегистрируют акустическую эмисспо времени достижения максимумаинтенсивности акустической змиссудят о коэффициенте диффузии. е класфи ис- ремся ени юи икаи и, соответстомпоненту при Коэффициент дифующий определенно его Спо Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано для изучения процессов диффузии при высоких температурах.Известны способы определения коэфФициентов диффузии с помощью радиоакТивных индикаторов, например способ снятия слоев и измерения интегральнсй активности оставшейся части образца с предварительно нанесенным тонким слоем активного элемента, подвергнутого диффузионному отжигу 11К недостаткам способа относитсЯ трудоемкость, сложность аппаратур- ного оснащения, необходимость раэру шения образца, Способ не может быть применен для изучения диффузии элементов, не имеющих долгоживущих радиоактивных изотопов, а также диффузии в радиационных полях, 20Наиболее близким техническим решением является способ определения коэффициента диффузии, заключающийся в нагружении образца, регистрации его деформации и вычислении значения коэффициента диффузии по времени не- упругого последействия2 ).Недостаток указанного способа -ограниченная область применения.соб используется для изучения 30 примесей, внедрения в не- металлах с кубической решет ебует точного измерения ии образца, что вызывает нные затруднения при провеспериментов в труднодоступвиях. Одновременное опредеэффициентов диффузии раэличентов в сложной матрице возв случае существенного емени релаксации компо"с - интервал времени от моментанагружения до достижениямаксимума пика интенсивностиакустической эмиссии (АЭ),К - коэффициент пропорциональности. 30 00 ер(- - т),Юйгде Я - энергия активации диффузии;й - газовая постоянная.Идентификацию групп пиков интенсивности АЭ с элементами многокомпонентного соединения производят, например, по значению . нергий актива-. 60 По количеству пиков интенсивностиАЭ в одном эксперименте судят о количестве компонентов - видов точечных дефектов или их комплексов, процесс и скорость диффузии которыхвыявляется способом.Для определения значения предэкспо-,ненциального множителя и зависимости коэффициентов диффузии от темпе ратуры и напряжения проводят серию 20экспериментов включающую испытанияне менее, чем при двух значенияхтемпературы и двух напряжениях в случае одного выявленного компонента(один пик интенсивности АЭ) и не менее, чем при трех значениях температуры и двух напряжениях при каждойтемпературе в случае нескольких компонентов. При таком количестве испытаний пики интенсивности АЭ легкоидентифицируются по компонентам,поскольку точки, соответствующиевеличинам, обратным временным интервалам Т от приложения нагрузки домаксимума в пике интенсивности АЭдля одной температуры и несколькихнапряжений испытания (в координатах 3 ф ф В, где б - напряжение), лежатна одной прямой для каждой диффундирующего типа дефектов.Экстраполируя эту прямую к нулевому напряжению, оценивают коэффициентдиффузии без напряжения по значениюобратного временного интервала 1/Ьв точке пересечения прямой с осьюординат. Наклон прямой в коодинатахд 0,6 характеризует активационный объем, Далее строят зависимость коэффициента диффузии (без напряжения) от температуры Т в координатахВЯЖИф , имеющую в этом случае вид прямой линии. Количество прямыхсоответствует:. количеству составляющих сложйого диффузионного процесса. По наклону прямой определяютэнергию активации диффузии, по которой, в свою очередь - предэкспоненциальный множитель с учетом зависи- мости ции с привлечением литературныхданных, либо с помощью прямых методовисследования структуры, таких, какметаллография, последовательно изучаямаТериал после появления каждогоиз пиков интенсивности АЭ.Практическая реализация предлагаемого способа может быть осуществленапри наличии аппаратуры для регистрациИ акустической эмиссии. Желательно,чтобы работа систем нагрева и нагружения установки не создавала помехв диапазоне частот 0,1-1,0 МГц.Определение коэффициента диффузиипроизводят на втулочных образцах двуокиси карбида урана в процессе испытания этих материалов на ползучестьв условиях сжатия при температурахдо 18 ООК и направлениях до 80 МН/мна установке "Уран".Для регистрации АЭ используют аппаратуру, собранную на основе стан-дартных радиометрических блоков серии "Щегол-В". Сигналы АЭ передаютот нагретого образца на пьезоприемникс помощью звукопровода.При испытаниях гиперстехиометрической двуокиси урана в полосе частот 150-350 кГц обнаружены две группыпиков интенсивности АЭ с максимальными значениями интенсивности в пикахпорядка десятков тысяч импульсов всекунду и продолжительностью каждого.пика несколько минут. Энергии активации групп пиков составляют 31100 и59200 кал/моль. Эти значения оченьблизки к энергиям активации диффузиидвух групп внедренных атомов кислорода - "тепловых", динамически равновесная концентрация которых зависит от температуры, и "структурных",с концентрацией, зависящей от стехиометрии.Выражения, полученные предлагаемымспособом, для описания температурнойзависимости коэффициентов диффузиидвух групп внедренных атомов кислорода, определяющих суммарный коэффициент, имеют следующий вид для"структурной" и "тепловой" составляющих:0 5 1 10ех ( 31100) смРКТ с0 5 5, 1 О-О. ( 59200) смы,При температуре 1525 К, как установлено по графику температурной зависимости коэффициентов диффузии кислорода, последние равны (прямые пересекаются), что экспериментально подтверждается слиянием двух пиков интенсивности АЭ в один. Паспортноезначение стехиометрии образцов связано с температурой равенства коэффициентов диффузии и соответствуетданным указанной выше работы,Вычисленное значение активационного объема подтверждает диффузионное происхождение пиков интенсивнос834459 Формула изобретения Составитель С. БеловодченкоРедактор И. Ковальчук ТехредНКелушак Корректор М Демчик Заказ 4056/64 Тираж 907 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ти АЭ. При ограниченном времениэксперимента в заданном размере зерна в указанном температурном интервале не появляются пики интенсивностиАЭ, соответствующие диффузии урана,Пики интенсивности АЭ зарегистрированы также для карбида урана. Тремпартиям стехиометрического состава,0,93, 1,02 и 1,05,имеющим среднийразмер зерна 20, 55 и 90 мкм, соответствуют экспериментально определенные значения коэффициента дьФфу.зии 1,9 ф 109, 2,5 "108 и 6,710 см/секпри температуре 1670 К. Абсолютныезначения коэффициента диффузии углерода и характер их зависимости от.стехиометрнческого состава хорошосоответствуют опубликованным данный.Таким образом, подтверждена возможность применения предлагаемогоспособа при высокотемпературныхиспытаниях в лабораторных условиях.Очевидно, что способ удобен и дляприменения в радиационных полях,поскольку методика регистрации АЭс помощью звукопровода в этом случаепрактически не.отличается от использованной при высокотемпературныхизмерениях, затухание ультразвуковыхсигналов в стержневых звукопроводахнезначительное, а пьезокерамика типаЦТС обладает хорошей радиационнойстойкостью,Предлагаемый способ позволяетизучать характеристики объемной диффузии точечных дефектов и их комплексов в широком классе поликристал-,лических материалов, в том числеодновременно с исследованием ползучести соответствующих образцов используя способ, можно получить зависимости коэффициента диффузииот температуры и напряжения по данным испытания одного образца в различных режимах, однако в этом случаепики интенсивности АЭ могут бытьвыражены все слабее с каждым новымрежимом. Способ дает возможностьвыделять отдельные составляющиедиффузионного процесса,10 Кроме того, способ позволяет дос.таточно точно определять дифФузионныехарактеристики. 15Способ определения коэффициентадиффузии, включающий нагружение исследуемого образца и вычисление коэффициента диффузии по времени реакции2 О образца на механическое воздействие,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения класса исследуемых материалов, в образце, находящемся под действием постоянногонапряжения, регистрируют акустическую эмиссию, и по времени достижениямаксимума пика интенсивности акустической эмиссии судят о коэффициентедиффузии.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Федоров Г,Б Смирнов Е.А.Диффузия в реакторных материалах. М.,