Динамика полей напряжений вершины залечивающейся трещины в ЩГК при воздействии электромагнитного излучения Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

ДИНАМИКА ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ ВЕРШИНЫ ЗАЛЕЧИВАЮЩЕЙСЯ ТРЕЩИНЫ В ЩГК ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© Т.Н. Плужникова, В.А. Федоров, А.В. Чиванов,

М.В. Чемеркина, Р.А. Кириллов, Ю.И. Тялин

Plushnikova T.N., Feodorov V.A., Chivanov A.V., Chimerkina M.V., Kirillov R.A., Tjalin Yu.I. Dynamics of fields stress of tip of a healed crack in alcali-halide crystals at influence of electromagnetic radiation. Dynamics of change of fields stress at tips of cracks in alkali-halide crystals at influence of electromagnetic radiation of infra-red, visible, ultra-violet and x-ray ranges is investigated. It is shown, that electromagnetic radiation causes a relaxation of mechanical stress in tip of cracks caused by convertible movement of dispositions in a cavity of a crack and is accompanied by healing cracks. The mechanism explaining from positions dislocation-exciton of interactions overcoming by dispositions of a grid of stoppers at their convertible movement is offered.

Несмотря на значительный интерес к проблеме «залечивания» трещин, пор, усадочных раковин, количество работ, посвященных восстановлению сплошности в прозрачных диэлектриках, относительно невелико. В них практически не затрагиваются физические процессы, происходящие при схлопывании трещин, и есть лишь единичные попытки рассмотрения механизма восстановления нарушенных межатомных связей [1, 2].

Цель работы: исследовать динамику полей напряжений вершины трещины при воздействии электромагнитного излучения различных длин волн и влияние последних на процесс восстановления сплошности и движение дислокаций в щелочногалоидных кристаллах.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Изменение полей напряжений вершины трещины исследовали на кристаллических образцах ЬіЕ, КС1. Для этого в образце с размерами 30x10x3 мм зарождалась трещина длиной 10^11 мм по плоскости (100). Поля упругих напряжений в вершине трещины регистрировали в поляризованном свете. Кристалл при этом располагался так, чтобы плоскость трещины была параллельна плоскости поляризации поляризатора. Анализатор находился в скрещенном положении. Исследование полей напряжений проводили на микрофотометре МФ-4.

В первой серии экспериментов кристаллы нагревали в печи в интервале температур от 300 до 500 К.

Во второй серии - подвергали воздействию светового излучения с длинами волн (350^760) нм от вольфрамовых ламп накаливания мощностью 20 Вт и 100 Вт с максимальной энергией излучения в спектре 1,06 и 1,24 эВ, соответственно, одновременно нагревающих образцы до температур 325^355 К. Освещенность поверхности образцов, в зависимости от мощности лампы и светофильтра, изменялась от 4 лк до 15 клк. Время воздействия варьировалось от 60 до 80 минут.

В третьей серии - воздействию ультрафиолетового излучения с длиной волны X = 250-350 нм. Время воздействия 1 час.

В четвертой серии - воздействию рентгеновского излучения с длиной волны X = 0,154 нм на аппарате ДРОН-2. Время воздействия изменялось от 1 до 10 минут. Температура кристалла в третьей и четвертой сериях контролировалась термопарой и оставалась постоянной.

Дислокационную структуру выявляли химическим травлением.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

При воздействии электромагнитного излучения происходят заметные изменения полей напряжений у вершин трещин, наблюдаемых в поляризованном свете. Фотометрированием определены интенсивности фото-упругих просветлений, отражающих величины полей упругих напряжений в вершине трещины до и после воздействия электромагнитного излучения. Получены зависимости изменения относительной интенсивности фотоупругих просветлений для разных типов воздействия. На рис. 1 приведена зависимость интенсивности фотоупругих просветлений поля трещины до и после воздействия ультрафиолетового излучения. Подобные изменения интенсивности просветлений наблюдаются и при других описанных режимах облучения.

Экспериментально установлено, что при воздействии электромагнитного излучения различных длин волн происходят заметные изменения дислокационной структуры у вершин трещин: уменьшается интегральная плотность дислокаций, сокращается длина зон пластичности (дислокационных лучей) в вершине трещины, появляется участок залечивания несплошности. Методом двойного травления показано, что наблюдаемые изменения дислокационных картин, при воздействии излучения, связаны с обратимым движением дислокаций в лучах дислокационной розетки, образующейся в вершине трещины при ее остановке. Изменение картины травления наблюдается не только в лучах дислокационной розетки, но и во всей области, прилегающей к вершине трещины (рис. 2).

1,5 ГМ° 1

Таким образом, воздействие электромагнитного излучения инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов длин волн вызывает релаксацию механических напряжений в вершине трещин что, по-видимому, обусловлено обратимым движением дислокаций в полость трещины и способно вызывать ее частичное залечивание [2].

Интенсивность релаксации напряжений и залечивания зависит от длины волны излучения. При уменьшении длины волны эффект релаксации полей напряжений и залечивания проявляется в большей степени [3].

Отмечено, что при УФ и рентгеновском облучении наблюдается люминесценция кристаллов и их окрашивание.

Рис. 1. Изменение интенсивности просветлений фотоупругой картины при воздействии излучения с X = 250-350 нм; 1 - до облучения; 2 - после облучения. I - интенсивность просветления измеряемого участка; 10 - интенсивность просветления в некоторой точке, взятой за единицу

а)

б)

Рис. 2. Дислокационная структура у вершин трещин кристаллов №С1: а) контрольный кристалл при Т = 293 К; б) кристалл после воздействия УФ излучения с X = 250-350 нм, выдержка г = 100 минут. Вершина трещины отмечена стрелкой

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Из приведенных экспериментальных результатов следует, что воздействие электромагнитного излучения на кристалл изменяет условия движения дислокаций.

В первых двух сериях экспериментов это связано с изменением стартовых напряжений дислокаций за счет нагрева, поскольку движение дислокаций в рассматриваемых условиях эксперимента носит термоактивируемый характер.

В третьей и четвертой сериях экспериментов изменение условий для движения дислокаций можно объяснить следующим.

Движению дислокаций в ЩГК препятствуют различные дефекты кристаллической решетки - стопоры, набором которых, по существу, определяются динамические свойства дислокации и пластические свойства кристалла. Изменяя состояние стопоров, или создавая условия для их более легкого преодоления, можно изменять динамику пластической деформации в ЩГК.

Преодоление дислокацией стопора возможно двумя путями - перерезанием стопора или огибанием его. В последнем случае вокруг стопора остается дислокационная петля. Дислокация, остановленная хаотично расположенными стопорами, в приближении струны, может быть представлена в виде выгнутых дислокационных сегментов (рис. 3а).

Дислокационные отрезки между стопорами, изображенные в виде изогнутой линии, в действительности ступенчатые. Ступеньки - это винтовые и краевые составляющие дислокации (рис. 3б). Кроме того, вследствие термической активации, на линии дислокации могут зарождаться двойные ступеньки. Известно, что ступени на дислокациях в ЩГК заряжены [4].

При облучении ЩГК квантами ультрафиолетового излучения в них возникают локализованные на дефектах электронные возбуждения и низкоэнергетические экситоны, т. е. элементарные возбуждения кристалла в виде пары дырка-электрон. Это же происходит и на начальных стадиях рентгеновского облучения [5].

Когда экситон достигает зарождающейся на дислокации ступеньки, представляющей вначале пару заряженных вакансий, то одна из составляющих экситона, например, электрон захватывается зарождающимся вакантным узлом отрицательного иона, что приводит к появлению ^-центра [5]. При этом расположенный

а)

б)

в)

г)

д)

Рис. 3. Механизм огибания стопора дислокацией

У" /

1 +'

+ - + - - + + ?

Ш У г і в:

^ * *

Ш Отртцт№ шыый шт * ш*н

□ &ак Iшгня счпрнщнпслънл№ иовй

С] *ш Ш *мтс 1*мША.'Г>

Рис. 4. Механизм Зейтца поглощения экситонов около дислокаций [5]

рядом зарождающийся вакантный узел положительного иона отталкивается и диффундирует как вакансия, а наряду с зарождающимся ^-центром образуется новый зарождающийся вакантный узел отрицательного иона. ^-центр захватывает остающуюся дырку и снова становится вакантным узлом. В результате происходит расширение двойной ступени, при котором дислокация смещается на одно межатомное расстояние (рис. 4). Энергия, выделяемая при рекомбинации экситона, проявляется в виде люминесценции.

Образование скоплений вакансий при таком механизме взаимодействия экситона и дислокации, наблюдали при низких температурах [5]. Скопления вакансий быстро рассасывались при нагреве до комнатной температуры.

Взаимодействие с экситонами приводит к удлинению винтовых составляющих дислокации, огибающей стопор (рис. 3в), которые, имея противоположные знаки, аннигилируют (рис. 3г). В этом месте происходит разрыв. Дислокация продолжает движение в направлении сдвиговых напряжений т (рис. 3д), а вокруг стопора остается дислокационная петля.

Рекомбинация экситонов на дислокации сопровождается выделением энергии, наблюдаемой в виде люминесценции ЩГК (наблюдали в наших экспериментах [6] на кристаллах КС1), а образующиеся .Р-центры приводят к окрашиванию. Рассматриваемые процессы являются термоактивированными, и с повышением температуры облученного кристалла интенсивность люминесценции и окраски убывает по экспоненциальному закону.

Таким образом, взаимодействием экситонов, полученных при УФ облучении, с зарождающимися парными перегибами и ступеньками на дислокации в поле касательных напряжений т можно объяснить более легкое преодоление стопоров дислокациями. Именно этим объясняется обратимое движение дислокаций в область вершины трещины, приводящее к залечиванию, а также уменьшение интегральной плотности дислокаций в зоне вершины трещины, связанной со стягиванием дислокационных петель. Изменение дис-

N

I Крит. I

Рис. 5. Схематическое соотношение между числом ((V) образующих радиационных и распадающихся собственных дефектов кристалла при воздействии рентгеновского излучения; г - время облучения

локационной структуры сопровождается изменением напряженного состояния в вершине трещины, чем обусловлено снижение интенсивности фотоупругих полей. В случае рентгеновского облучения кристаллов, наряду с образованием экситонов, имеет место распад стопоров в кристалле, например, дивакансий. В связи с этим также изменяются условия для движения дислокаций. Однако вместе с распадом дивакансий в кристалле начинают образовываться радиационные дефекты. Тогда движение дислокации будут определяться соотношением между числом распадающихся дефектов Ыр и числом образующихся V,. При выполнении соотношения V > Ыр (рис. 5) условия для движения дислокаций, в частности, за счет увеличения напряжений трения (числа стопоров) при воздействии рентгеновского излучения будут изменяться; обратимое дви-

жение дислокаций прекратится, и, как следствие, прекращаются процессы залечивания. При этом наблюдаемая интенсивность фотоупругих просветлений в вершинах остановившихся трещин должна стабилизироваться.

Приведенное на схеме (рис. 5) время гкрит разделяет временные интервалы воздействия рентгеновского излучения на два участка и определяет знак пластичности. При г < гкрит имеет место эффект разупрочнения кристалла, тогда как при г > гщщ кристалл должен упрочняться. гкрит будет определяться как состоянием кристалла, так и длиной волны излучения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бетехтин В.И., Петров А.И., Кадомцев А.Г. Влияние гидростатического давления на залечивание микропор и высокотемпературную ползучесть // ФММ. 1990. Т. 5. С. 176-184.

2. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Тялин Ю.И. Залечивание трещин, остановившихся при несимметричном сколе в щелочногалоидных кристаллах и кальците // ФТТ. 2000. Т. 42. № 4. С. 685-687.

3. Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Чиванов А.В., Поликарпов В М., Попов В.Ф. Стимулирование залечивания микротрещин в ионных кристаллах воздействием малых доз рентгеновского излучения // Изв. АН. Сер. физ. 2003. Т. 67. № 6. С. 857-859.

4. Финкель ВМ., Тялин Ю.И., Колодина А.Н., Тялина Л.Н. Заряжение берегов трещины и работа разрушения щелочно-галоидных кристаллов // ФТТ. 1986. Т. 28. №2 9. С. 2908-2911.

5. Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. М.: Изд-во иностранной литры, 1962. 584 с.

6. Плужникова Т.Н., Федоров В.А., Чемеркина М.В., Чиванов А.В. Залечивание микротрещин в ионных кристаллах при воздействии ультрафиолетового излучения // Вестн. Тамб. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. Тамбов, 2003. Т. 8. Вып. 4. С. 607-609.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №05-01-00759).

Поступила в редакцию 8 ноября 2005 г.