CC BY
33
УДК 539.37;539.4.01;548.4
ЭФФЕКТЫ РАЗУПРОЧНЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ В ПЕРЕМЕННОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
© Ю.И. Головин, А.В. Тютюнник
Golovin Y.I., Tiutiunnik A.V. Weakening and Strengthening Effects under Alternating Electric Field in Ionic Crystals. The results of the alternating electric field influence (with intensity of 2.5 kV/cm and at frequency of 100 Hz) on the constant-stress-rate test of Ca doped NaCI single crystals being deformed under a single slip are reported and discussed. Weakening and strengthening effects when imposing the field are found and shown to depend on the deformation extent and rate, and mutual orientation of the field vector and edge dislocation and the slip system arranged. The maximum of the weakening is observed to be up after the yield point, while the strengthening is out of the experimental error only at the end of the plastic flow stage. The emergence probability of the strengthening proved to be small compared to that of the weakening, and the magnitudes of both effects are of the same order. The field is supposed to have an effect on the state of both point defects and dislocations. The micromechanisms of the field influence, which can serve as possible channels of the observed effects are analysed.
Действие постоянного электрического поля (ЭП) на пластически деформируемые ионные кристаллы изучалось многими авторами [1 - 6]. Влияние переменного ЭП исследовано гораздо слабее [5]. В большинстве работ наблюдали разупрочняющее действие ЭП, однако в [3, 6] регистрировали и упрочнение. Причины столь противоположных проявлений действия ЭП остались не вполне ясными [6].
Недавние эксперименты по исследованию влияния постоянного магнитного [7 - 9] и переменного электрического [10 - 12] полей показали, что слабые электромагнитные воздействия {В ~ 1 Т, Е ~ 1 кВ-см-1) способны изменять, как в присутствии поля, так и через некоторое время после его отключения, состояние точечных дефектов, изолированных дислокаций, характер их взаимодействия. Это дает основание предполагать существование более тонких каналов влияния поля, чем те, которые обсуждались ранее [3 - 6]. Создание экспериментальных ситуаций, в которых они могли бы проявиться более ярко, и было целью настоящей работы.
МЕТОДИКА
Исследовано пластическое течение кристаллов LiF, KCI и NaCI в переменном ЭП напряженностью 2,5 кВсм-1 и частотой 100 Гц (передний фронт ~ 0,1 с). Деформирование осуществляли в условиях одиночного скольжения по системе плоскостей (011) в мягкой машине, которая обеспечивала режим линейно нарастающих со временем напряжений ст = kt, где к const в пределах одного нагружения. Организацию одиночного скольжения произво-
дили путем сполировывания на противоположных гранях (100) образца в направлении скольжения канавки шириной 1 мм и глубиной 0,5 мм на каждой. ЭП включали на время 5 - 30 с в направлениях [0Ї1], [011] и [100] на различных участках кривой деформирования (рис. 1а).
В отличие от жесткой машины типа “Instron” (constant-strain-rate test) наша установка осуществляла абсолютно мягкое нагружение (constant-stress-rate test), что исключало обратную связь между величиной приложенных напряжений и поведением кристалла. Отклик
Рис. 1. Схематическая зависимость относительной деформации образца е и приложенной нагрузки с от времени деформирования (на врезке показана геометрия скольжения) (а) и участки диаграммы нагружения, на которых изображены эффекты РУП (б) и УПР (в) в ЭП.
образца, возникающий под действием каких-либо внешних возмущений (электромагнитные поля, свет и т.п.), в жесткой машине приводит к изменению приложенной нагрузки: так, например, разупрочнение автоматически вызывает падение деформирующего напряжения и полное или частичное блокирование течения. В этой связи мягкая машина позволяет рассчитывать на большую чувствительность к эффектам, возникающим при воздействии на деформируемый образец внешних факторов.
РЕЗУЛЬТАТЫ
При приложении ЭП наблюдались два эффекта: разупрочнение (РУП), т.е. увеличение средней за время приложения ЭП относительной скорости пластического течения Ее (рис. 16), И упрочнение (УПР), - уменьшение ё{т (рис. 1в). Величина эффектов Дё/ёо (рис. 16, в) увеличивалась в ряду ЫР - КС1 - ЫаС1 (в0 - скорость течения до включения поля, Дб = ёр - ё0). Далее будут обсуждаться только результаты, относящиеся к кристаллам МаС1.
Конкретный результат в одном включении ЭП оказался в наших экспериментах малоинформативным и зависящим от многих случайных факторов, вклад которых сравним по порядку величины с действием поля. Поэтому основные закономерности влияния ЭП выявляли путем статистической обработки большого массива данных.
Всего было продеформировано около 200 образцов. В процессе испытания каждого из них поле включали не менее 10 раз. Установлено, что число случаев РУП в общем наборе результатов включений всегда больше, чем число случаев УПР. Причем вариацией условий
Рис. 2. Зависимость величины эффектов РУП (1, 2) и УПР (3, 4) в ЭП от пластической деформации е на закаленных образцах ЫаС1 + 30 мол.% Са для двух различных средних скоростей течения: 1, 3 - < в; > = 7-10‘5 с'1 и 2, 4 - < Е2_> = 7-10*6 с-1.
Поле ориентировано в направлении [011].
эксперимента долю одного из эффектов можно менять за счет другого. На закаленных образцах в ориентации поля [011] доля случаев РУП была максимальна и составляла ~ 90 % от общего числа результатов включений. Доля УПР была наибольшей на отожженных кристаллах в ориентации поля [011], но и в этом случае она не превышала 25 %. Если ЭП прикладывали вдоль краевой компоненты дислокации (направление [100]), то доля, приходящаяся на УПР, составляла 15 - 20 %.
Величина эффектов РУП и УПР была другой важной характеристикой, не коррелирующей с вероятностью их появления. На рис. 2 показаны полученные путем статистической обработки результатов включений зависимости величин РУП и УПР от пластической деформации s при двух различных средних (за все время испытания) скоростях деформирования
< ё} > = 7-10*5 с1 и < ёз > = 7Т0‘6 с-1 (рис. 2). Максимум эффекта РУП наблюдался сразу за пределом текучести Сту при обоих значениях
< е >, в то время как УПР за пределом погрешности удавалось регистрировать только при <г> = <Е2>в конце стадии легкого скольжения. Причем данная тенденция в действии ЭП усиливалась с уменьшением < е >, начиная от ~ 10'5 с-1 (рис. 3). Следует отметить, что при этом значении < ё > на кривой РУП наблюдался минимум.
Одним из наиболее стабильных проявлений эффектов в ЭП было то, что максимум РУП при < ё > = < ё) > всегда находился сразу за пределом текучести (рис. 2). Поэтому, используя результаты эксперимента, представлялось интересным исследовать ориентационную
Рис. 3. Максимальные (1, Г) и средние (2, 2’) величины эффектов РУП (1, 2) и УПР (Г, 2’) от средней скорости деформации < £ > закаленных кристаллов NaCI + 30 мол.% Са. Поле ориентировано в направлении [011].
Рис. 4. Зависимость величины эффекта РУП в ЭП от s на закаленных образцах для трех ориентаций ЭП: • - [011]; о - [100]; + - [011]. < е> = lO'V1.
интересным исследовать ориентационную зависимость РУП. Оказалось, что величина и характер РУП зависят от направления приложения ЭП: если оно направлено вдоль [100], тодиапазон s-чувствительности кристалла к полю был заметно уже, чем в случае ориентаций [Oil] или [0111, и несколько сдвинут в область меньших деформаций (рис. 4).
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные результаты позволяют наметить один из возможных подходов к их объяснению. Скоростная зависимость эффектов (рис. 3) указывает на существование, по крайней мере, двух различных механизмов РУП (при < е > < Ю-5 с-1 и при < е > > 10'5 с-1). Поскольку увеличение < 8 > ведет к уменьшению среднего времени ожидания дислокации у стопора, то можно предположить, что РУП в области < 8 > ОТ 10'6 С'1 до Ю-5 с-1 может происходить за счет активизации в ЭП процессов диффузионного типа, таких как, например, восходящая диффузия, способствующая сглаживанию неоднородностей поля внутренних напряжений, или диффузия вдоль дислокационного ядра, приводящая к облегченному преодолению стопора. Рост РУП при
< е > > ] О-5 с-1, по всей вероятности, связан с изменением в ЭП состояния точечных дефектов, возможность которого была показана в экспериментах по подвижности индивидуальных дислокаций [11, 12]. Действительно, результаты эксперимента показали, что при < г > = < 8] > (рис. 2) наличие максимума РУП не зависело от направления вектора ЭП по отношению к выделенной системе скольжения и всегда регистрировалось при напряжениях, не сильно превышающих сту (рис. 4), когда подвижность дислокаций лимитируется в основном их взаимодействием с точечными дефектами.
Однако понятно, что нет видимых причин ожидать ослабления влияния ЭП на точечные дефекты с уменьшением < 8 > ОТ 10'4 с-1 до 10'5 с1. Очевидно, усиление РУП при
< ё > > 10'5 с-1 можно связать с ослаблением УПР (рис. 3), рассматривая их как два конкурирующих в ходе деформации эффекта, возникающих вследствие разупрочнения как в первичных, так и во вторичных системах скольжения. Так, сразу за сту течение происходит практически только в основной системе и приложение ЭП приводит к разупрочнению в ней, т.е. к увеличению 8е- К концу I стадии упрочнения дислокационный поток в первичной системе вследствие роста внутренних напряжений уменьшается и интенсивность разупроч-няющего действия ЭП в ней падает (рис. 2). Поэтому включение ЭП незадолго до начала II стадии упрочнения может способствовать активизации скольжения во вторичных системах (скорость течения в них, как известно, ниже, чем в первичных), дислокации которых создают дополнительные препятствия для скольжения в первичной системе. Это и приводит к уменьшению 8е- Более того, эффект УПР в этом случае мог быть необратимым, т.е. при включении поля (в пределах стадии пластического течения) наблюдалось упрочнение, которое не исчезало при выключении поля (начиналась II стадия упрочнения).
Исходя из рис. 4, влияние ЭП на дислокацию может быть сведено к следующим возможностям.
В направлении [100] ЭП могло открепляю-ще действовать на структуру ядра дислокации, например, поощряя диффузию заряженных особенностей вдоль дислокационной линии. Понятно, что такой механизм может работать до тех пор, пока невелики внутренние дально-действующие напряжения в полосе, что согласуется с результатами эксперимента: эффект РУП быстро спадал с ростом е (рис. 4, кривая 2).
Если ЭП ориентировано в выделенной плоскости скольжения перпендикулярно краевой компоненте (направление [011]) (рис. 4, кривая 1) или перпендикулярно плоскости скольжения и краевой компоненте дислокации (направление [011]) (рис. 4, кривая 3), то диапазон е-чувствительности кристалла к ЭП был в обоих случаях приблизительно одинаковым. Это дает возможность предположить, что в интервале 8 от 1 до 2 % механизм влияния ЭП не сводится к силовому увлечению заряженной дислокации. Если думать, что в этом случае ЭП влияет на заряженные дефекты, не связанные с дислокационным ядром, то остается непонятной причина отсутствия эффекта в этом интервале 8 при ориентации [100] (хотя, для точечных дефектов, увлекаемых упругим полем дислокации и компенсирующих ее заряд, направление [100] должно, в этом смысле, отличаться от [0П] и [011]).
Поскольку в ориентации [011] величина эффекта больше, чем в двух других, то исключить совсем действие силы на дислокацию, по-видимому, нельзя. В таком случае необходимо
подчеркнуть, что непосредственное силовое действие влиять упрочняюще, по всей видимости, не может. Действительно, несмотря на знакопеременность электрического поля, его действие на редко расположенные заряженные элементы ядра должно в сумме давать разупрочнение в силу экспоненциального характера влияния силы на скорость дислокаций.
Таким образом, в переменном ЭП активно деформируемый кристалл разупрочняется по различным кристаллографическим направлениям скольжения. Причина такого разупрочнения заключается в независимом от условий эксперимента (величины < ё >, ориентации ЭП и др.) действии ЭП на точечные дефекты, приводящем, по-видимому, к релаксации связанных с ними упругих напряжений. Влияние ЭП на дислокации происходит по нескольким каналам, степень подключения которых зависит от взаимной ориентации вектора поля, выделенной плоскости скольжения и краевых компонент этих дислокаций. Эффект упрочнения возникает в случае разупрочнения кристалла во вторичные системы скольжения, что, в силу независимости плотности подвижных дислокаций при одиночном скольжении от 8, приводит
к уменьшению средней скорости их движения и, следовательно, к уменьшению р.£.
ЛИТЕРАТУРА
1. Whitworth R. W. // Adv. Phys. 1975. V. 24. P. 203.
2. Тяпунина H.A, Белозерова Э.П. // УФН. 1988. Т. 156. № 4. С. 683.
3. Зуев Л.Б. Физика электропласгичности щелочногалоидных кристаллов. Новосибирск: Наука, 1990. 120 с.
4. Куличенко АН., Смирнов Б.И. // ФТТ. 1981. Т. 23. № 4. С. 1029; 1983. Т. 25. № 5. С. 1523.
5. Brissenden S., Gardner J.W., Illingworth J., Kovacevic I., Whitworth R.W. // Phys. Stat. Sol. (a). 1979. V. 51. P. 521.
6. Урусовская A.A., Беккауер H.H., Смирнов A.E. // ФТТ. 1991. Т. 33. № 11. С. 3169.
7. Алъшиц В.И., Даринская Е.В., Петржик Е.А // ФТТ. 1993. Т. 35. № 2. С. 320.
8. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б. // Письма в ЖЭТФ. 1993. Т. 58. № 3. С. 189; 1995. Т. 61. № 7. С. 583.
9. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Тютюнник А.В. // Изв. РАН. Сер. Физ. 1995. Т. 59. № 10. С. 3.
10. Golovin Yu.I., Morgunov Я.В., Tyutyunnik iK // Phys. Stat. Sol. (b). 1995. V. 189. P. 75.
11. Головин Ю.И., Тютюнник А. В. // Кристаллография. 1996. Т. 41. № 6. С. 1077.
12. Головин Ю.И., Тютюнник АВ. // Изв. РАН. Сер. Физ. 1996. Т. 60. № 9. С. 179.
Исследования поддержаны фондом Госкомвуза Российской Федерации № 95-0-7.1-58.
Поступила в редакцию 15 января 1996 г.
