Упаковка атомов в металлах и сплавах нарушается при облучении γ-лучами, электронами и тяжелыми частицами (протонами, нейтронами, α-частицами). Быстрые электроны и γ-кванты способны сместить из узлов решетки лишь единичные атомы. Тяжелые частицы могут вызвать и большие нарушения упаковки атомов. Для начала нужно рассмотреть их влияние на примере чистого металла.
При столкновении часть энергии тяжелой частицы передается атому металла. Если эта энергия велика, атом смещается из узла решетки в междоузлие. Атом в междоузлии может в свою очередь выбить из положения равновесия соседние атомы. Подобные нарушения частица совершает на своем пути многократно, пока она обладает высокой энергией. Таким образом, тяжелая частица с большой энергией, попадая на поверхность металла, способна выбить из узлов решетки много атомов.
Соударение атомов ведут к локальному разогреву металла. Энергии частицы облучения может оказаться достаточно для того, чтобы нагреть участки в тысячи атомов до температуры плавления. Некоторые атомы при соударениях покидают поверхность (испаряются).
Состояние с разупорядоченным расположением атомов неустойчива, и с прекращением облучения атомы занимают узлы решетки. Устранение вызванных облучение повреждений сопровождается образованием скоплений вакансий, которые, объединяясь, образуют поры или призматические петли дислокаций.
В упорядоченных растворах сиещения атомов и локальное повышение температуры ведут к разупорядочению. При облучении разупорядочение происходит и при низких температурах. Таким путем можно разупорядочить раствор в тех случаях, когда другими методами, например закалкой, это не удается.
Облучение способно вызвать фазовые превращения и перевести сплав в метастабильное состояние. Стабильное в обычных условиях двухфазное состояние сплава под влиянием облучения может, например, перейти в метастабильное однофазное состояние в результате растворения избыточной фазы. Такой переход оказывается возможным не только благодаря ослаблению межатомных связей в избыточной фазе и увеличению химического потенциала компонентов ее, но и вследствие возникновении дефектной структуры твердого раствора. Уменьшение энергии дефектов под влиянием скопления в них растворенных атомов может оказаться настолько сильным, что скомпенсирует увеличение термодинамического потенциала, с которым связано растворение избыточной фазы.
Во многих случаях облучения способствует получению стабильного состояния, поскольку искажения решетки и избыточные вакансии интенсифицируют диффузионные процессы. Облучение может ускорять упорядочение и полиморфное превращение твердого раствора. Локальное повышение температуры и образование крупных дефектов облегчает образование зародышей в пересыщенном твердом растворе и способствует выделению избыточной фазы.
Большие изменения структуры металлов и сплавов происходят и вследствие накопления в них инертных газов, образующихся в результате реакции атомов с нейтронами и α-частицами. Если облечение производят при повышенных температурах, инертные газы образуют пузырьки вдоль границ зерен. Благодаря этому плотность материала уменьшается (он «распухает»).
Особенно подрежен газовому распуханию уран, являющийся горячим для ядерных реакторов. При распаде ядер урана образуются газообразные продукты – ксенон и криптон. Растворимость их в уране ничтожна, и образуется пересыщенный раствор. По мере диффузии инертный газ скапливается в микропустотах и в них возникают большие давления. В результате в уране происходит пластическая деформация и начинается разрушение вследствие развития трещин и роста пор. Под влиянием газового распухания размеры и форма урановых изделий изменяются. Подобные изменения могут вызвать и попеременные нагревы и охлаждения (термоциклирование).
