Научная статья на тему 'Электромагнитное излучение при пластической деформации и разрушении льда'

Электромагнитное излучение при пластической деформации и разрушении льда Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
346
101
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭМИССИЯ / ДИСЛОКАЦИЯ / ТРЕЩИНА / САМООРГАНИЗУЮЩАЯСЯ КРИТИЧНОСТЬ / ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕДВЕСТНИК РАЗРУШЕНИЯ / ФЛИККЕР-ШУМ / ELECTROMAGNETIC EMISSION / DISLOCATION / CRACK / SELF-ORGANIZED CRITICALLY / ELECTROMAGNETIC PRECURSOR OF FRACTURE / FLICKERNOISE

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Шибков Александр Анатольевич

Обнаружена и исследована дискретная электромагнитная эмиссия, обусловленная скачкообразной пластической деформацией и разрушением монои поликристаллического льда. Составлен «альбом» электромагнитных сигналов, позволяющий по форме сигнала идентифицировать и исследовать кинетику мезоскопических событий структурной релаксации, связанных с динамикой дислокационных скоплений и трещин.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Шибков Александр Анатольевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Electromagnetic radiation during plastic flow and fracture of ice

Discrete electromagnetic emission caused by a jump of plastic deformation and fracture of single-crystal and polycrystalline ice is revealed and investigated. An album of electromagnetic signals is compiled, which makes it possible, on the basis of the electromagnetic-signal shape, to identify and study the kinetics of mesoscopic events of structural relaxation that are related to the dynamics of dislocation pile-ups and cracks.

Текст научной работы на тему «Электромагнитное излучение при пластической деформации и разрушении льда»

УДК 539.37:537.221

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИИ ЛЬДА

© А.А. Шибков

Ключевые слова: электромагнитная эмиссия; дислокация; трещина; самоорганизующаяся критичность; электромагнитный предвестник разрушения; фликкер-шум.

Обнаружена и исследована дискретная электромагнитная эмиссия, обусловленная скачкообразной пластической деформацией и разрушением моно- и поликристаллического льда. Составлен «альбом» электромагнитных сигналов, позволяющий по форме сигнала идентифицировать и исследовать кинетику мезоскопических событий структурной релаксации, связанных с динамикой дислокационных скоплений и трещин.

1. Введение

Одним из направлений НИР лаборатории «Физика льда» является исследование динамики формирования электрически активных дефектов кристаллической решетки льда по собственному электромагнитному излучению деформируемого льда.

В течение длительного времени существовало убеждение, что знание свойств индивидуальных дислокаций позволит объяснить макроскопическое поведение пластически деформируемых кристаллических материалов. Однако модели кинетики пластической деформации, учитывающие лишь аддитивный вклад перемещения отдельных дислокаций в потоке, в целом оказались недееспособными. Благодаря интенсивным структурным исследованиям было установлено, что между поведением отдельных дислокаций и упругопластическим поведением кристалла на макроуровне существует промежуточный - мезоскопический масштабный уровень деформации, связанный с эволюцией дислокационных ансамблей с высокой плотностью дислокаций (полосы скольжения, двойники и пр.). Дислокационные коллективы и их группы локализуют скольжение в каком-либо участке кристалла и создают пространственно неоднородную дислокационную структуру пластически деформируемого кристалла.

Используемый нами оригинальный подход основан на измерении и анализе собственной электромагнитной эмиссии при деформировании кристаллов с разной исходной степенью гетерогенности (моно-, бикристалла, поликристалла) синхронно с оптическими методами исследования динамики мезодефектов в прозрачных материалах, а также высокочувствительными методами измерения скачков деформации. Выбор электромагнитного отклика на нестационарные процессы формирования структуры мезодефектов определяется тем, что 1) дефекты решетки в диэлектриках и полупроводниках электрически активны; 2) сигналы ЭМЭ может генерировать только система вдали от термодинамического равновесия (равновесная система излучает лишь тепловое излучение), поэтому сигналы ЭМЭ несут информацию о степени неравновесности системы и отражают кинетику ее релаксации к более равновесному состоянию; 3) сигналы ЭМЭ, как установлено, содер-

жат больше информации о разнообразных динамических процессах в кристалле с участием дислокационных скоплений и трещин по сравнению с другими традиционно изучаемыми сигналами (акустическая эмиссия, скачки на кривой нагружения и т. д.).

В результате исследований, проведенных на льде и ряде ионных кристаллов, разработаны физические основы электромагнитного метода исследования in situ динамики и статистики мезоскопических структурных дефектов в твердых телах - метода электромагнитной эмиссии (ЭМЭ). Метод основан на регистрации и анализе собственного электромагнитного излучения, генерируемого при деформировании и разрушении диэлектрических и полупроводниковых материалов. Показано, что измерение в реальном времени собственного электромагнитного излучения пластически деформируемого кристалла позволяет отображать на временной ряд сложный процесс формирования трехмерной структуры электрически активных мезоскопических дефектов, полос скольжения и микротрещин, идентифицировать эти дефекты по электромагнитному сигналу и проводить их динамический, амплитудночастотный и статистический анализ.

Метод ЭМЭ экспериментально тестирован на щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК). Метод позволяет непосредственно в ходе деформирования регистрировать и измерять тонкие скачки пластического течения, обусловленные эволюцией дислокационных скоплений из —100 и более дислокаций, бесконтактно строить ступенчатую кривую пластической деформации с точностью до —1 нм и кривую разрушения с точностью до —0,1 мм2 по площади вскрытия трещины в полосе частот от —1 до —106 Гц и исследовать на различных стадиях деформирования динамику отдельных дислокационных полос, микро- и макротрещин с временным разрешением до —1 мкс. Разработан алгоритм восстановления ступенчатой кривой растяжения металлического образца, запитанного постоянным электрическим напряжением, на основе измерения и анализа сигналов ЭМЭ, отвечающих скачкам деформации. Метод ЭМЭ позволяет бесконтактно выявлять и исследовать более тонкую временную структуру скачков по сравнению с записью кривых нагружения.

2. Идентификация распространяющихся полос скольжения и трещин по электромагнитному сигналу

Комплексом in situ методов, включающим в себя методы ЭМЭ и акустической эмиссии (АЭ) в сочетании с традиционным методом измерения скачков деформации и поляризационно-оптическим методом, исследовалась скачкообразная пластическая деформация и разрушение моно- и поликристаллического льда в условиях одноосного сжатия с постоянной скоростью роста напряжения ст0 = const в мягкой деформационной машине. Установлено, что деформирование льда сопровождается генерированием дискретных импульсов потенциала ф нестационарного электрического поля вблизи поверхности образца - сигнала электромагнитной эмиссии.

Несмотря на большое разнообразие форм сигналов ЭМЭ (в отличие от сигналов АЭ), их можно представить в виде последовательности импульсов почти треугольной формы, характеризуемых тремя основными параметрами: длительностью переднего фронта tfr, амплитудой фт и временем спада Td, соизмеримого с максвелловским временем релаксации во льду тм в области средних и низких частот.

Наиболее информативной характеристикой сигнала оказалась величина tfr, которая определяется характерным временем поляризации кристалла, обусловленной эволюцией электрически активного структурно-

кинетического элемента: дислокационного скопления и трещины. По величине tfr импульсы ЭМЭ разделяются на две группы: 1) импульсы I типа с tfr — 3 • 10-3 - 6-10-1 с, которые сопровождаются генерированием сигнала АЭ, но не сопровождаются появлением видимых микротрещин; 2) импульсы II типа с tfr — 10-5 - 10-3 с, вызванные, по данным видеосъемки, зарождением и распространением трещин размером более —100 мкм (рис. 1).

В серии экспериментов синхронно с видеосъемкой образца в поляризованном свете и регистрацией сигнала ЭМЭ записывали сигнал высокочувствительного датчика смещения штока машины. Обнаружено, что развитие одиночной полосы скольжения в монокри-сталлическом образце на начальной стадии деформирования (в ~ 0,5-1%) сопровождается скачком деформации АН ~ 0,1-1 мкм и одновременно генерированием импульса ЭМЭ I типа, в то же время развитие трещин длиной Lcr > 100 мкм на стадии развитой деформации (в > 3%) вызывает генерирование сигналов ЭМЭ II типа. Таким образом, сигналы ЭМЭ I и II типа отражают два основных нестационарных (в полосе частот —100-105 Гц) процесса в деформируемом кристалле: скачкообразную пластическую деформацию и разрушение. Вследствие существенного различия мгновенных скоростей пластического сдвига и распространения микротрещин, а следовательно, характерных времен этих процессов, гистограмма передних фронтов tfr импульсов ЭМЭ имеет седлообразный вид (рис. 1). Существование интервала «запрещенных» значений tfr (седловая область гистограммы) может быть использовано для более точного разделения сигналов на импульсы I и II типа, что важно, например, для проведения статистического анализа скачков пластической деформации и/или разрушения.

АЫЛМ 0.20- |

0.15- I

0.10- I _

0.05- I

ш.

0.00-------------------------

ю'5 ю'4 ю'3 ю'2 ю'1 / С

/г’

Рис. 1. Гистограмма передних фронтов р импульсов ЭМЭ. Черным цветом обозначены импульсы ЭМЭ II типа, связанные с развитием микро- и макротрещин, серым - импульсы ЭМЭ I типа, имеющие вид степенной функции ф(Г) ~ Г1/и, обусловленные динамикой консервативных скоплений дислокаций, а белым - импульсы ЭМЭ I типа с сигмовидной формой фронта, связанные с зарождением полос скольжения (см. табл. 1). Штриховой линией отмечено временное разрешение метода (8 мкс)

Из рис. 1 видно, что гистограмма фронтов импульсов I типа, связанных со скачками пластической деформации, имеет колоколообразный вид, в то время как гистограмма фронтов импульсов ЭМЭ II типа, обусловленных зарождением и развитием в образце мик-ро- и макротрещин, как показывает анализ, описывается степенной статистикой: В(я) ~ 8-г, где В(я) = = А^бМ^/бз - нормированная статистическая функция распределения величины 8 = р, 8Щя) - число событий (импульсов ЭМЭ), попавших в интервал от я до я + 8я, а N - размер статистической выборки. Для всех исследованных образцов моно- и поликристаллическо-го льда показатель степени г находится в пределах от 1,2 до 1,6. Следовательно, импульсы ЭМЭ I и II типа имеют не только различные интервалы передних фронтов р, но и существенно различную функцию распределения этой величины.

В условиях измерения сигнала ЭМЭ, из-за отсутствия гальванического контакта зонда с образцом, последний остается электрически нейтральным за время измерения, поэтому отрыв заряженных дислокаций от компенсирующего облака противоположного заряда вызывает электрическую поляризацию кристалла. Анализ поляризации кристалла дислокационным скоплением и трещиной показывает, что значение дипольного момента, приобретенного в результате зарождения и перемещения скопления заряженных дислокаций и образовании микротрещины, определяется произведением электрической характеристики носителей процессов структурной релаксации (погонного заряда дислокации и поверхностной плотности заряда трещины) и количественной меры их необратимости (заметаемой дислокациями площади и объема трещины).

Сопоставление форм сигналов ЭМЭ I типа с моделями эволюции дислокационных скоплений показывает, что генерируемые при одноосном сжатии льда сигналы ЭМЭ I типа разной формы фронта отражают различные нестационарные мезоскопические процессы

пластической деформации: сигналы вида степенной функции ф(Г) ~ Г1/и, где п = 2,1...2,5, связаны с динамикой консервативных скоплений дислокаций (прорыв скопления через барьер и, возможно, сваливание скопления в сток и т. д.), а сигналы сигмовидной формы вида х(Г) = 1 - ехр[-(Г/т0)лр], где = 1,6...2,3, обусловлены термоактивационным зарождением и развитием большого количества дислокационных скоплений от источников типа Франка - Рида во фрактальной структуре полосы скольжения.

3. Альбом электромагнитных отображений

В табл. 1 сведены основные типы и сочетания сигналов ЭМЭ, отображающие нестационарные мезоскопические события пластической деформации и разрушения моно- и поликристаллического льда, связанные с динамикой дислокационных скоплений и трещин:

I) сигнал I типа сигмовидной формы, как установлено на основе синхронной записи сигнала, регистрации скачка пластической деформации и видеосъемки фо-тоупругой картины, вызван зарождением и распространением одиночной полосы скольжения; 2) сигнал

I типа в форме степенной функции 111п вызван прорывом заблокированного скопления или сваливанием скопления в сток; 3) сигнал сигмовидной формы с внезапным сбросом скорости роста вызван развитием полосы скольжения с последующей блокировкой границей зерна; 4) сигнал в виде последовательности сигналов I типа сигмовидной формы противоположного знака отображает процесс «переизлучения» полосы поверхностью кристалла. Поверхностный источник вторичной полосы запускается упругим полем головной группы дислокаций первичного скопления. Такой процесс приводит к релаксации изгибающего момента, создаваемого первичной полосой с избытком дислокаций одного механического знака и к уменьшению суммарного вектора Бюргерса системы скоплений; 5) сигнал в виде последовательности сигмовидных сигналов I типа одного знака вызван эстафетной передачей сдвига в соседние зерна; 6) сигнал ЭМЭ II типа вызван развитием одиночной микротрещины; 7) последовательность сигналов II и I типов отображает развитие трещины с пластической релаксацией в вершине за счет эмиссии дислокационного скопления из вершины остановившейся трещины; 8) наложение сигналов I и II типов отображает процесс, в котором в фазе максимальной скорости роста полосы скольжения срабатывает источник микротрещины; 9) последовательность двух сигналов II типа связана с последовательным во времени образованием двух микротрещин в соседних зернах поликристалла; 10) последовательность сигналов I и II типов отображает последовательность мезособытия скольжения и последующего образования микротрещины: распространение и блокировка полосы скольжения провоцирует зарождение микротрещины по границе зерна;

II) последовательность большого количества сигналов I типа обусловлена, по-видимому, эстафетной передачей полос скольжения в соседние зерна, аналогично п. 5; 12) фрактальная пачка сигналов II типа отображает множественное растрескивание поли-кристаллического льда, связанное со спонтанным образованием фрактальной сетки трещин по границам зерен.

Таким образом, показано, что измерение сигнала ЭМЭ представляет собой отображение на одну степень свободы - временной ряд ф(^ - процесса формирования структуры мезодефектов моно- и поликристалли-ческого льда.

Такое отображение дает возможность: а) на базе полученной идентификации сигналов ЭМЭ контролировать in situ эволюцию популяций дефектов определенного вида (полос скольжения, консервативных скоплений, микро- и макротрещин); б) использовать для обработки временного ряда ф^) методы статистического, спектрального и динамического анализа с целью исследования по электрическому сигналу в деформационном поведении кристалла явлений самоорганизации, динамического хаоса, самоорганизующейся критичности и «подготовку» системы к глобальной катастрофе - макроскопическому разрушению образца.

4. Динамика и статистика дислокационных лавин и трещин

Из альбома ЭМЭ отображений следует, что сигналы I типа содержат информацию о неустойчивой динамике формирования дислокационной структуры льда на мезоскопическом уровне и могут быть полезным инструментом статистической обработки дислокационной мезодинамики. На рис. 2 представлены типичные гистограммы амплитуд импульсов I типа на различных стадиях деформирования с постоянной скоростью роста напряжения і0 = const (5 кПа/с). При сравнительно небольших деформациях (до є = 2%) наблюдается обычно колоколообразная гистограмма в форме, близкой к распределению Пуассона (рис. 2а), а с ростом деформации (є > 3%) наблюдается тенденция изменения формы гистограммы к гиперболической. Из рис. 2б видно, что в области больших степеней деформации б < є < 9% = Sp (где Sp - предельная деформация), функция распределения D(S) нормированных амплитуд электрических сигналов I типа в двойных логарифмических координатах имеет вид линейной зависимости (см. вставку на рис. 2б) с тангенсом угла наклона, равным 1,1б. Это означает, что функция распределения подчиняется степенному закону D(S) ~ S-T с показателем степени т = 1,б.

Степенная статистика с показателем т ~ 1 является, как известно, признаком состояния самоорганизующейся критичности (СОК). Для СОК свойственно наличие большого количества метастабильных состояний

и, следовательно, широкого спектра времен релаксации, а также отсутствие выделенного масштаба, т. е. статистическая динамика системы, во-первых, является существенно неравновесной, во-вторых, определяются участием лавин различных масштабных уровней, а радиус корреляции лавин охватывает всю систему (или ее макроскопическую часть). СОК во временном отклике системы (сигнале ЭМЭ) отражает динамику формирования масштабно-инвариантной (фрактальной) гетерогенной структуры дефектов кристалла.

Таким образом, статистический анализ массива импульсов ЭМЭ I типа показывает, что с ростом деформации статистика скачков, связанных с зарождением полос скольжения или «простреливанием» дислокационных скоплений, постепенно эволюционирует от хаотической, с пуассоновым распределением скачков-лавин

Таблица 1

Альбом ЭМЭ-отображений

Окончание таблицы 1

Сигнал ЭМЭ

Схема процесса

Комментарий

развитие и остановка трещины с пластической релаксацией в вершине (*)

распространяющаяся полоса скольжения упругим полем головной группы дислокаций запускает источник (типа концентратора напряжения А) микротрещины

последовательное образование двух, микротрещин

10

заблокированная полоса запускает источник микрогрещины

11

эстафетная (во времени и пространстве) передача сдвига с участием большого числа полос скольжения в различных зернах

I ■ 5 і (! 15 і»'

12

0.5 с

множественное

докритическое

разрушение

поликристалла

Примечание: 1) точка А обозначает источник мезодефекга - полосы скольжения или трещины; 2) символ (*) относится к результату, полученному на льде и на монокристаллах ЩГК.

Рис. 2. Плотность распределения В(s) нормированных амплитуд импульсов ЭМЭ I типа на разных стадиях деформирования при 250 К поликристаллического льда: а - е < 2 %, б - 6 < е < 9 %. Здесь В(я) = М^бМ^/бя , 5 = фJфт - нормированная амплитуда. Скорость нагружения а о = 5 кПа/с. Штриховой линией отмечена чувствительность измерения сигнала (20 мкВ)

к «критической», со степенным законом распределения, что свидетельствует о возникновении дальнодей-ствующих корреляций дислокационной мезодинамики деформируемого поликристаллического льда. В этом контексте, анализ электромагнитного отклика позволил выявить эволюционный переход «беспорядок-порядок», отображающий: а) переход от хаотического деформационного поведения к скоррелированному во времени, б) переход от хаотического расположения дислокационных скоплений к самоорганизующейся пространственной фрактальной структуре, охватывающей макроскопическую часть образца (или весь образец), и в этом смысле отображает переход дислокационной динамики с мезоскопического на макроскопический структурный уровень.

Фрактальную размерность сигнала ЭМЭ II типа вычисляли с помощью R/S анализа по методу Хёрста, используя выражение R/S ~ т , где R(t) = фтах - фт;п -размах временного ряда ф(0 на интервале т, S - дисперсия величины ф на отрезке т, H - показатель Хёрста. Фрактальная размерность временного ряда определялась как dt = 2 - H. Фрактальная размерность df картин разрушения вычислялась по формуле Мандельброта

D Cd//2 с

, где P - периметр контура проекции трещины, Scr - площадь ограниченная этим контуром. Анализ показывает, что зависимость lgP от lgScr линейная со скейлингом около 2 порядков по линейной шкале и фрактальной размерностью df = 1,6 ± 0,05. Анализ по методу Хёрста фрактальной размерности сигнала ЭМЭ II типа показывает, что при напряжениях ст > 0,4 МПа фрактальная размерность приближается к значению dt ~ 1,7. Близость значений dt ~ df дает возможность исследовать in situ фрактальные свойства фрагментирующейся пространственной структуры (поверхности разрушения поликристалла) по сигналу ЭМЭ.

В качестве важного примера рассмотрим автокорреляционные, статистические и спектральные свойства сигнала ЭМЭ, генерируемого в ходе спонтанного и лавинообразного множественного разрушения, которое зарегистрировано незадолго (около 30 с) до развития

магистральной трещины в образце крупнозернистого льда (табл. 1, сигнал 12, см. также рис. 3).

Статистические функции распределения нормированных амплитуд я импульсов и пауз Т между импульсами описываются степенными зависимостями:

В(я) ~ я- и В(Т ~ Тс показателями степени т = 1,437 и а = 0,423 (рис. 4, а и б). Степенное распределение амплитуд с показателем степени т « 1, как известно, характерно для землетрясений (закон Гутенберга -Рихтера) и является парадигмой (точнее одним из признаков) СОК.

К другим признакам относится фликкер-шумовая структура сигнала и пространственно-временная фрак-тальность системы в состоянии СОК. Спектр мощности £р(/) связан с функцией распределения времени релаксации В(Т) следующим соотношением:

1//

5Р(Я = \

поэтому степенной закон распределения времен релаксации приводит к спектру 1//:

= Г2+а. (1)

На рис. 4в представлен спектр мощности сигнала ЭМЭ в двойных логарифмических координатах. Наилучшая линейная аппроксимация этой зависимости дает в = 1,46, что близко значению в = 1,57 из формулы (1), если в нее подставить экспериментальное значение а = 0,423 из анализа функции распределения пауз Т между импульсами ЭМЭ. Другим признаком СОК является пространственно-временная монофрактальность системы, что соответствует «потере» ее характерного масштаба. На рис. 4г представлена зависимость от времени локального показателя Хёрста. Мультифракталь-ность оценивали по размаху локального показателя Хёрста Нтах - Нтп ~ 0,1, что составляет около 11 % среднего значения Н = 0,843. Сигнал ЭМЭ, как видно,

имеет почти монофрактальный характер с относительно невысокой степенью мультифрактальности. Отметим здесь, что для случайного процесса в = 0 (белый шум) и Н = 0,5.

По основным признакам СОК рассматриваемый сигнал ЭМЭ представляет собой отображение на одну степень свободы динамической диссипативной системы, спонтанно эволюционирующей в состояние самоорганизующейся критичности. Согласно видеонаблюдениям, этому сигналу соответствует лавинообразный процесс зарождения и распространения большого количества несоприкасающихся трещин размером от ~ 0,3 мм до ~ 5 мм (расположенных, в основном, по границам зерен, реже - пересекающих объем зерна), образующих сложную пространственную структуру в виде сетки. Такой процесс можно рассматривать как «микроземлетрясение» ледяного образца не только по внешним признакам, но и по таким же (как при обычных землетрясениях) степенным зависимостям амплитуд событий и пауз между ними.

«Временной скейлинг» или временное самоподобие достигает трех порядков величины и ограничен снизу «минимальным временем релаксации» Ттп ~ 0,3 мс, а сверху - Ттах ~ 0,3 с; а «амплитудный скейлинг» сигнала - два порядка (срт = 0,04...3 мВ). По данным калибровки данный диапазон амплитуд сигналов ЭМЭ

II типа соответствует интервалу характерных размеров трещин от = 0,3 до = 3 мм, что близко к данным видеонаблюдений. Следует отметить, что средний размер зерна в испытуемом образце поликристаллического льда = 3 мм с разбросом d~ 1,0...5,0 мм. Поэтому пространственный скейлинг СОК ограничен снизу минимальным размером зерна или его фрагмента, а сверху - максимальным размером зерна.

Таким образом, обнаружена и исследована дискретная электромагнитная эмиссия, обусловленная, как установлено, скачкообразной пластической деформацией и разрушением моно- и поликристаллического льда. Составлен альбом электромагнитных сигналов, позволяющий по форме сигнала идентифицировать и исследовать кинетику мезоскопических событий

структурной релаксации, связанных с динамикой дислокационных скоплений и трещин. Такой альбом, образующий своего рода «электромагнитный язык» процессов структурной релаксации, дает возможность контролировать in situ эволюцию популяций мезоде-фектов определенного вида.

Обнаруженная впервые самоорганизующаяся критичность: а) в массиве импульсов ЭМЭ I типа свидетельствует о «долговременной», эволюционной самоорганизации (на протяжении всего времени деформирования) дислокационной динамики на уровне полос

Рис. 3. Сигнал ЭМЭ при докритическом разрушении крупнозернистого льда, деформируемого одноосным сжатием в мягкой машине. а = 4,6 МПа

lgD

а)

lgD

б)

в) г)

lgS„ н

Рис. 4. Статистические, спектральные и фрактальные характеристики сигнала ЭМЭ при лавинообразном докритическом разрушении льда: а и б - нормированные функции распределения амплитуды импульсов я и паузы Т между импульсами; в - спектр мощности сигнала в двойных логарифмических координатах; г - временная зависимость показателя Хёрста сигнала ЭМЭ; штриховой линией отмечено среднее значение показателя Хёрста Н = 0,843

скольжения (мезоуровень); б) в массиве импульсов ЭМЭ II типа свидетельствует о скоррелированной динамике мезотрещин в основном по границам зерен.

СОК в пачке импульсов II типа («кратковременная» самоорганизация пространственной сетки мезотрещин) является признаком приближающейся «катастрофы» -развития магистральной трещины, поэтому сигнал в виде монофрактальной пачки импульсов ЭМЭ II типа, характеризуемой СОК, является наиболее вероятным электромагнитным предвестником макроразрушения поликристаллического льда.

5. Выводы

1. Разработаны физические основы электромагнитного мониторинга процессов структурной релаксации в высокоомных материалах на базе метода электромагнитной эмиссии. Метод основан на регистрации и анализе собственного электромагнитного излучения, генерируемого при деформировании и разрушении диэлектрических и полупроводниковых материалов.

Показано, что измерение в реальном времени собственного электромагнитного излучения пластически

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

деформируемого кристалла позволяет отображать на временной ряд сложный процесс формирования трехмерной структуры электрически активных мезоскопических дефектов, полос скольжения и микротрещин, идентифицировать эти дефекты по электромагнитному сигналу и проводить их динамический, амплитудночастотный и статистический анализ.

2. Проведены исследования кинетики и статистики неустойчивостей процессов структурной релаксации (пластической деформации и разрушения) поликри-сталлического льда комплексом традиционных и оригинальных быстродействующих методов исследования: поляризационно-оптическим, методом электромагнитной эмиссии, а также методом регистрации кривой деформирования высокочувствительным датчиком смещения.

3. Обнаружен эффект Савара - Масшна во льде, состоящий в появлении повторяющихся мезоскопических скачков пластической деформации со средней амплитудой ~ 10-3-10-2 % на кривых нагружения с постоянной скоростью І 0 = const моно- и поликри-сталлического льда. Показано, что обнаруженные тон-

кие скачки деформации обусловлены динамикой ква-зиплоских дислокационных скоплений.

4. Установлено, что путем селекции и классификации импульсов ЭМЭ по их амплитудно-частотным параметрам и последующим интегрированием можно бесконтактно измерять и строить кинетические кривые структурной релаксации: пластической деформации и разрушения льда.

5. Проведен статистический анализ скачков пластической деформации и разрушения поликристалли-ческого льда, а также фрактальный анализ пространственных картин разрушения и отображающего распространение разрушения временного ряда - сигнала ЭМЭ

II типа. Показано, что после деформации в ~ 1 % состояние эволюционирующей структуры мезо- и макродефектов стремится к состоянию самоорганизующейся критичности, выражаемого, во-первых, в степенной статистике амплитуд скачков, свойственной критическому состоянию, аналогично закону Гутенберга -Рихтера для землетрясений, а во-вторых, в монофрак-тальном характере пространственных картин разрушения и связанного с ними сигнала ЭМЭ.

6. На основе анализа характера сигнала электромагнитной эмиссии выявлено состояние самоорганизующейся критичности при множественном докрити-

ческом разрушении поликристаллического льда по степенной статистике амплитуд электрических импульсов и пауз между ними, фликкер-шумовой структуре и почти монофрактальному характеру сигнала. Высказано предположение, что временной отклик (электромагнитный сигнал), обладающий свойствами СОК, может служить наиболее вероятным предвестником закритического разрушения деформируемого поликристалла.

Поступила в редакцию 3 июня 2009 г.

Shibkov A.A. Electromagnetic radiation during plastic flow and fracture of ice. Discrete electromagnetic emission caused by a jump of plastic deformation and fracture of single-crystal and polycrystalline ice is revealed and investigated. An album of electromagnetic signals is compiled, which makes it possible, on the basis of the electromagnetic-signal shape, to identify and study the kinetics of mesoscopic events of structural relaxation that are related to the dynamics of dislocation pile-ups and cracks.

Key words: electromagnetic emission; dislocation; crack; selforganized critically; electromagnetic precursor of fracture; flicker-noise.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.