Способ визуализации областей деформации, скрытых под поверхностью твердого тела
Владельцы патента RU 2578124:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) (RU)
Изобретение относится к ионной технологии и может быть использовано в металлургии, машиностроении и других областях техники для выявления напряженных участков на различных конструкциях, деталях машин, а также в криминалистике и археологии. Cпособ визуализации скрытых под поверхностью областей деформации включает последовательные стадии распыления образца наклонным ионным пучком, полировки и последующего распыления исследуемой поверхности вплоть до появления видимых следов деформации. Облучение ведется ионами с достаточно большой массой (Ar+, Kr+), с энергией 7÷10 кэВ, при которых коэффициент распыления мало отличается от своего максимального значения, под углами 60÷70° от нормали к исследуемой поверхности, соответствующими максимумам угловой зависимости коэффициента распыления. Технический результат - уменьшение необходимого времени облучения и возрастание четкости получаемого изображения. 3 ил.
Область техники
Изобретение относится к ионной технологии и может быть использовано в металлургии, машиностроении и других областях техники для выявления напряженных участков на различных конструкциях, деталях машин, а также в криминалистике и археологии.
Уровень техники
Известно использование метода рентгеновской дефектоскопии для обнаружения скрытых областей деформации на деталях (Кизнер А.В. Применение рентгенодефектоскопии при исследовании плоско-штампованных изображений, Сборник научных работ Вильнюсского НИИ судебной экспертизы, Вильнюс, 1963 г. Вып. 1, с. 233). Известный метод не обеспечивает достаточную чувствительность, позволяющую четко наблюдать деформированные участки образца, особенно в случае значительного повреждения поверхностного слоя, например специально сошлифованного маркировочного знака. Наиболее близкими к предлагаемому способу являются способы создания рельефа на деформированной поверхности металлического образца путем ее распыления в газовом разряде (Freund Η. (Editor) Handbuch der Mikroskopie in der Technik, Bd.III, Teull, Frankfutt/Maim, 1968, s 206-209; Аскеров Ш.Г., Насруллаев Д.М. Письма в ЖТФ. 1976. Т. 2. с. 596, 597; Шелякин Л.Б., Семенов В.И., Троян В.Α., Юрасова В.Е. Поверхность. Физика, химия, механика 1982. №4. С. 51-61). Способы включают распыление образца в плазме тлеющего разряда при напряжении между катодом (образцом) и анодом порядка 100÷1000 эВ. При такой низкой энергии ионов, нормально падающих на поверхность образца, коэффициент распыления очень мал. Это вызывает необходимость длительного облучения образца для выявления области деформации - до десятка часов, например, при значительном стачивании первоначальной поверхности со штампованной цифрой. Кроме того, при нормальном падении облучающих ионов распыленные атомы выходят не только из анализируемого поверхностного слоя мишени, но и из более глубоких слоев мишени, где возможны другие области деформации, уменьшающие четкость искомого изображения.
Раскрытие изобретения
Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке ускоренного способа визуализации скрытых под поверхностью областей деформации с максимальным контрастом изображения деформированного участка образца. Поставленная задача достигается тем, что для обнаружения скрытых вблизи поверхности участков деформации используется облучение исследуемого объекта тяжелыми ионами инертных газов (Ar+, Kr+) с достаточно большой энергией (7÷10 кэВ), наклонно падающими на поверхность под углами 60÷70° от нормали к поверхности. При таких углах наблюдается максимум угловой зависимости коэффициента распыления мишеней для указанных параметров ионного облучения (Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М.: Атомиздат, 1968, 344 сс.; Behrisch R., and Eckstein W. (Editors), Sputtering by Particle Bombardment IV. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 2007, 510 pp.).
В то же время при энергиях 7÷10 кэВ коэффициент распыления для ионов Ar+ и Kr+ мало отличается от своего максимального значения. Все это позволяет сократить время, необходимое для получения скрытого изображения деформированной области, и довести его до 15÷20 минут при плотности ионного тока на образец порядка 1 мА/см2 для большинства конструкционных материалов.
Дополнительным преимуществом использования наклонного падения облучающих ионов является то, что движение смещенных атомов и их распыление происходит лишь из узкой области образца вблизи поверхности, где должна находиться скрытая деформация, а не из более глубоких слоев мишени, в которых могут присутствовать другие нарушения, уменьшающие четкость получаемого изображения. Кроме того, когда в узком приповерхностном слое происходят последовательные соударения атомов, проявляется эффект кумуляции (накопления), который приводит к увеличению разницы коэффициентов распыления ненарушенного и деформированного участка и вызывает дополнительный рост четкости изображения.
Получаемый видимый контраст предварительно стертого изображения может быть связан с уменьшением размера зерен в деформированной области, т.е. с изменением количества атомов с ослабленными связями, которые легче распыляются, а также с радиационно-стимулированной диффузией дефектов, примесей (Hermanne N., Rad. Eff. 1973. V. 19. P. 161-169), компонентов сплавов и имплантированных ионов в поле механических напряжений. Помимо этого, на контраст видимого изображения области деформации может влиять уменьшение постоянной решетки исследуемого объекта при нанесении деформации сосредоточенной нагрузкой, например при штамповке цифр на изделиях, что должно приводить к увеличению коэффициента распыления деформированного участка и увеличению контраста его изображения.
Влияние изменения постоянных решетки материала исследуемого объекта при деформации сосредоточенной нагрузкой на процесс распыления впервые получено в настоящем изобретении методом молекулярно-динамического моделирования для наиболее часто используемых конструкционных материалов и сплавов, таких как пермаллой, сталь-3 и оловянная бронза. Было установлено, что деформация сосредоточенной нагрузкой вызывает уменьшение постоянной решетки исследуемого образца в направлении действия нагрузки, что приводит к увеличению плотности атомов в единице объема и соответствующему росту коэффициента распыления. В качестве примера, на фиг. 1 показан результат молекулярно-динамического моделирования зависимости коэффициента распыления от деформации сосредоточенной нагрузкой оловянной бронзы и пермаллоя с учетом только уменьшения постоянной кристаллической решетки в направлении действия нагрузки. На фиг. 1 (а) показана угловая зависимость коэффициента распыления оловянной бронзы до (1) и после (2) деформации сосредоточенной нагрузкой; Kr+, 7 кэВ, (б) - разность коэффициентов распыления деформированного и недеформированного участков в тонких поверхностных слоях (20Å) оловянной бронзы (1) и пермаллоя (2).
На фиг. 1а видно, что на всем протяжении угловая зависимость распыления для деформированного образца лежит выше, чем ненарушенного.
Из фиг. 1б следует, что разность между коэффициентами распыления после и до деформации наибольшая при углах в районе 60÷70° от нормали к поверхности мишени, при которых и предлагается проводить ионное облучение.
Предлагаемый способ выявления скрытых деформаций обладает следующими преимуществами:
- простотой технологии получения утраченных следов деформации;
- возможностью наблюдения путем последовательной полировки образца и последующего распыления деформации, скрытой под поверхностью на различной глубине, например сточенные маркировочные цифры, которые были первоначально нанесены с разной нагрузкой;
- уменьшением необходимого времени облучения для получения оптического контраста деформированной области;
- возрастанием четкости получаемого изображения при наклонной ионной бомбардировке, за счет выхода большинства распыленных частиц лишь из узкой области образца вблизи поверхности, где должна находиться искомая деформация;
- увеличением контраста изображения благодаря эффекту кумуляции, который наблюдается при значительном наклоне облучающих ионов и приводит к увеличению разницы коэффициентов распыления ненарушенного и деформированного участка.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан результат расчета изменения распыления при деформации сосредоточенной нагрузкой оловянной бронзы и пермаллоя с учетом только уменьшения постоянной кристаллической решетки в направлении действия нагрузки. Видно, что при этих условиях угловая зависимость коэффициента распыления оловянной бронзы имеет подобный характер для образца до и после деформации (фиг. 1а). Из фиг. 1б следует, что разность между коэффициентами распыления деформированного и недеформированного участков в тонких поверхностных слоях (20Å) оловянной бронзы и пермаллоя оказывается наибольшей при наклонных углах падения ионов - в районе 60÷70° от нормали к поверхности мишени, при которых и предлагается проводить ионное облучение.
На фиг. 2 показан результат визуализации первоначально стертого изображения маркировочных цифр на наручнике. Использование предлагаемого способа позволило выявить достаточно четко цифры при чередующихся процессах полировки и распыления.
На фиг. 3 приведены результаты использования предлагаемого способа для восстановления с хорошим контрастом утраченного изображения рисунка на бронзовой монете 10-копеечного достоинства.
Осуществление изобретения
Способ получения утраченных областей деформации иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Предлагаемый способ был использован для выявления удаленных знаков на наручниках и оружии, представленных подразделением МВД России. Результат визуализации первоначально стертого изображения маркировочных цифр на наручнике показан на фиг. 2, где (а) сошлифованный участок с маркировочными цифрами, (б) картина с цифрами, выявленная в результате распыления мишени ионами Kr+ с энергией Е0=7 кэВ, наклонно падающими под углом 60° от нормали к исследуемой поверхности (в).
Участок со сточенной маркировкой подвергался последовательной, до 3-х раз, полировке и распылению ионами Kr+ с энергией 7 кэВ под наклоном 60° от нормали к исследуемой поверхности. Несмотря на значительную толщину сточенного слоя (фиг. 2а), применение предлагаемого способа позволило наблюдать достаточно четко нанесенные ранее цифры (фиг. 2б). Выявленные ионной бомбардировкой номера и знаки имеют хороший контраст и сохраняются на открытом воздухе длительное время.
Пример 2
На фиг. 3 фотография бронзовой монеты 10-копеечного достоинства (а). Та же монета после полностью сполированного рисунка (б) и после распыления ионами Kr+ с энергией Е0=7 кэВ, наклонно падающими под углом 60° от нормали к поверхности монеты (в).
Бронзовая монета 10-копеечного достоинства (фиг. 3а) после полностью сполированного изображения (фиг. 3б) подвергалась ионной бомбардировке способом, предлагаемым в настоящем изобретении. Использовалось облучение ионами Kr+ с энергией 7 кэВ, под углом 60° от нормали к поверхности монеты. После облучения в течение 15 минут на поверхности монеты вновь появился рисунок с достаточно хорошим контрастом (фиг. 3в), благодаря преимущественному распылению участков деформации, возникших при чеканке монеты.
Предлагаемый способ визуализации утраченных областей деформации может найти широкое применение в криминалистической экспертизе, археологии, машиностроении.
1. Способ визуализации скрытых под поверхностью изделия областей деформации, основанный на ионном распылении образца, состоит в том, что облучение проводится ионами достаточно большой массы (Ar+, Kr+) и энергии (7÷10 кэВ), где коэффициент распыления мало отличается от своего максимального значения, под углами 60÷70° от нормали к исследуемой поверхности, соответствующими максимумам угловой зависимости коэффициента распыления, что обеспечивает не только уменьшение необходимого времени облучения, но и возрастание четкости получаемого изображения, вследствие выхода большинства распыленных частиц лишь из узкой области образца вблизи поверхности, сопровождающегося эффектом кумуляции.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что он включает последовательные стадии распыления образца наклонным ионным пучком, полировки и повторного распыления исследуемой поверхности вплоть до появления видимых следов деформации, которые могут находиться на различных глубинах.
