Non-isothermal mechanodiffusion model of the initial stage of penetration of particle flow in a target surface

Abstract

Представлена в неизотермическом приближении связанная математическая модель начальной стадии процесса внедрения частиц в поверхность металла. Предполагается, что имплантируемые частицы в момент столкновения с мишенью обладают энергией, достаточной для генерации упругих механических возмущений, которые влияют на перераспределение имплантируемого материала. В общем случае модель включает уравнения неразрывности, теплопроводности, баланса для внедряемого компонента и уравнение движения. Определяющие соотношения соответствуют теории обобщенной термоупругой диффузии. В модели учитываются конечность времен релаксации к термодинамическому равновесию потоков тепла и массы и взаимодействие волн разной физической природы (волн концентрации примеси, волн напряжений (деформаций) и температуры). Подробно описаны упрощающие приближения, процесс обезразмеривания уравнений модели и метод их решения. Задача реализована численно с использованием метода прогонки. Приведены примеры решения связанной задачи для системы материалов Mo(Ni). Детально процессы внедрения и перераспределения примеси в поверхностном слое мишени рассмотрены в моменты времени, меньшие и большие значений относительных времен релаксации потоков тепла и массы. Установлено, что с течением времени взаимодействие процессов проявляется по-разному. Показано, что взаимовлияние волн различной физической природы приводит к распределениям температуры и концентрации, которые не отвечают классическим представлениям, следующим из моделей с законами Фурье и Фика. В работе продемонстрированы искажения волн деформации и температуры, которые и свидетельствуют о взаимодействии исследуемых процессов. Выявлено, что чем ближе текущий момент времени к относительному времени релаксации потока массы и времени действия внешнего импульса, тем заметнее меняются профили волн.