CC BY
66
' Л-
ТЯЛИН Юрий Ильич - доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики. В университете работает с 1981 г., награжден знаком «Почетный работник высшего профессионального образования РФ».
Занимается исследованием процессов пластической деформации и разрушения твердых тел, руководит научной лабораторией «Физика разрушения». Является соавтором более 100 научных работ, в т. ч. двух монографий и 12 изобретений. Принимает участие в НИР, поддерживаемых грантами министерства образования и науки РФ и Российского фонда фундаментальных исследований, Международного научного фонда.
Основные публикации:
1. Электризация щелочно-галоидных кристаллов в процессе скола // Физика твердого тела. 1979. Т. 21. № 7.
2. Скопления заряженных дислокаций и зарождения трещин в неметаллических кристаллах // Докл. АН СССР. 1984. Т. 275. № 5.
3. Дислокационные механизмы разрушения двой-никующихся материалов. М.: Машиностроение-1, 2004.
4. Залечивание трещин в щелочно-галоидных кристаллах // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. № 9.
5.Основы электронной обработки информации. Тамбов, 2005.
6. Структура полос скольжения, формируемых в вершине трещины при ее остановке // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 3.
Е-таД:1уа1т@18и.1тЬ.ги.
Лаборатория «Физика разрушения»
Научно-исследовательская лаборатория «Физика разрушения» образована 14 ноября 2002 г. Фактически работы по данной тематике ведутся на кафедре с 1981 г. Ядром исполнительского коллектива являются д.ф.-м.н., профессор Ю.И. Тялин (руководитель лаборатории) и
к.ф.-м.н., доцент В.А. Тялина. К работе в рамках тематики НИЛ привлекаются аспиранты и студенты-дипломники.
Основные направления работы НИЛ посвящены исследованию закономерностей зарождения, распространения и залечивания трещин в материалах с различной кристаллической структурой, а также изучению вторичных электрических процессов при разрушении непроводящих кристаллов, связанных с присутствием электрического заряда на поверхностях трещин и дислокациях.
Разрушение твердых тел представляет собой сложный многостадийный и разномасштабный кинетический процесс. Его обязательными составными элементами являются образование и подрастание зародышевых микротрещин, формирование макротрещин и переход их в неустойчивое состояние. При этом каждая стадия процесса контролируется своим или своими механизмами и протекает в результате взаимодействия структурных объектов, имеющих различный масштабный уровень от атомного и дислокационного до мезоскопического и субструктурного.
Одним из центральных вопросов физики разрушения является взаимодействие пластической деформации и разрушения. Современные представления о зарождении трещин в кристаллах рассматривают пластическую деформацию как необходимый подготовительный этап разрушения кристаллических твердых тел. К настоящему времени предложено большое количество дислокационных механизмов разрушения, связывающих зарождение и начальную стадию подрастания трещин с взаимодействием одноименных дислокаций в заторможенных перед препятствиями дислокационных скоплениях. Барьерами для движения головной дислокации скопления могут являться включение, дислокации других систем скольжения, границы зерен и т. д.
Связь пластической деформации и разрушения не ограничивается только формированием и подрастанием зародышевых трещин, а имеет более сложный характер взаимодействия. Как правило, пластическое течение начинается при сравнительно низких напряжениях, существенно меньших теоретической прочности, и поэтому на концентраторах напряжений оно начинается раньше разрушения и может приводить к его торможению. Помимо этого, вершина трещины сама является эффективным концентратором напряжений. Инициируемая ей направленная микропластичность приводит к созданию характерных пластических зон в окрестности вершины трещины, существенно влияющих на энергетические и силовые характеристики разрушения.
При определенных условиях микротрещины могут залечиваться, превращаясь в другие дефекты - дислокации или вакансии. Движущей силой процесса в этом случае могут являться сжимающие напряжения, приводящие к эмиссии дислокаций, или поверхностная энергия, стимулирующая вакансионное растворение трещины при повышенных температурах.
Современные технологии и процессы резко расширили круг используемых в технике материалов, причем преимущественно за счет неметаллов. И это связано не только с увеличением доли в современном производстве отраслей, традиционно потребляющих диэлектрические и полупроводниковые кристаллы (микроэлектроника, вычислительная техника, системы коммуникаций), но и с общей тенденцией замены металлических материалов керамиками, композитами, полимерами (приборостроение, авиакосмическая техника). Более углубленное изучение физических свойств дислокаций в диэлектриках и полупроводниках (в первую очередь, это - обнаружение связанного с дислокациями электрического заряда и электронно-дырочных дислокационных состояний) существенно расширило спектр взаимосвязи пластичности с механическими, оптическими, электрическими и магнитными явлениями при разрушении твердых тел. В настоящее время обнаружен и изучен целый ряд механоэлектрических эффектов, обусловленных, в основном, электрической активностью дислокаций. Это - эмиссия электронов и ионов, электромагнитное излучение в широком интервале частот - от звуковых до частот рентгеновского диапазона, электризация кристаллов при пластическом деформировании и разрушении и т. д.
Интерес к изучению подобного рода процессов связан со следующими обстоятельствами. Во-первых, получаемая с их помощью информация помогает исследовать процессы пластической деформации и разрушения на микроуровне, детализировать элементарные механизмы их протекания. С другой стороны, появляется возможность использовать чувствительные электромагнитные методы для изучения чисто механических процессов, используя эмиссионную активность дефектов структуры твердых тел. Упомянутые методы отличает высокое быстродействие, позволяющее исследовать различные электромеханические явления с любым необходимым разрешением во времени, они являются пассивными и, с этой точки зрения, предельно «бесшумными», т. к. не нуждаются в каком-либо вспомогательном воздействии на исследуемый образец помимо действующих на него в условиях испытания или эксплуатации нагрузок. Электрические методы регистрации могут хорошо дополнять традиционные методы исследования, а также в некоторых случаях являться единственно возможным средством регистрации быстропротекающих или малоинтенсивных процессов при пластической деформации и разрушении.
К числу наиболее интересных можно отнести следующие результаты работы НИЛ «Физика разрушения».
Построена математическая модель пластического течения в вершине трещины, позволяющая изучать статические и динамические параметры процесса. Исследовано влияние пластической зоны в вершине трещины на залечивание трещины и коэффициент интенсивности напряжений в ее вершине.
Предложен механизм спонтанного залечивания трещин за счет реверсивного движения дислокаций в пластической зоне. Для кристаллов с заряженными дислокациями пластическая деформация в вершине трещины рассмотрена как источник электромагнитных сигналов и для них оценены временные параметры.
Изучен геометрический рельеф поверхности в местах остановки трещины и его связь со структурой полос скольжения в вершине трещины.
Модифицированы некоторые дислокационные механизмы зарождения трещин в кристаллах диэлектриков и полупроводников с учетом электрического заряда дислокаций.
Показано, что в кристаллах с заряженными дислокациями их скопления могут создавать электрические поля с достаточно высокой напряженностью. Получены аналитические выражения для напряженности электрического поля основных вариантов плоских дислокационных скоплений.
Основные научные публикации по тематике НИЛ:
1. Тялин Ю. И., Финкель В. М. Скопления заряженных дислокаций и зарождение трещин в неметаллических кристаллах // Доклады АН СССР. 1984. Т. 279. № 5. С. 1126-1130.
2. Тялин Ю.И., Финкель В.М., Гурова О.В., Копылов Н.В. Специфика скоплений заряженных дислокаций // Физика твердого тела. 1985. Т. 27. № 10. С. 3005-3009.
3. Финкель В.М., Тялин Ю.И., Колодин А.Н., Тяли-на Л.Н. Заряжение берегов трещины и работа разрушения щелочно-галоидных кристаллов // Физика твердого тела. 1986. Т. 28. № 9. С. 2908-2911.
4. Финкель В.М., Федоров В.А., Плотников В.П., Тялин Ю. И., Куранова В. А. Механизм и кинетика зарождения упругих каналов Розе первого рода в кальците // Кристаллография. 1988. Т. 33. Вып. 5. С. 12441250.
5. Федоров В.А., Куранова В.А., Тялин Ю.И., Плотников В.П. Зарождение трещин на пересекающихся дислокационных скоплениях в цинке // Физика металлов и металловедение. 1990. № 10. С. 46-50.
6. Федоров В.А., Куранова В.А., Тялин Ю.И., Плотников В. П. Зарождение микротрещин в монокристаллах цинка на пересекающихся дислокационных скоплениях // Кристаллография. 1991. Т. 36. Вып. 1. С. 237.
7. Тялин Ю.И., Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Куранова В. А. Аналитическая оценка распределения дислокаций в вершине остановившихся трещин // Физика твердого тела. 2000. Т. 42. № 7. С. 1253-1255.
8. Федоров В.А., Тялин Ю.И., Плужников С.Н. Анализ дислокационных взаимодействий, обусловленных пересечением двойников в ОЦК решетке // Металлы. 2003. № 2. С. 179-184.
9. Федоров В.А., Куранова В.А., Тялин Ю.И., Плужников С.Н. О зарождении микротрещин в вершинах и на границах двойников в ОЦК и ГЦК металлах // Кристаллография. 2003. Т. 48. № 3. С. 528-530.
10. Тялин Ю.И., Тялина В.А., Федоров В.А., Че-меркина М.В., Бутягин А.А. Залечивание трещин в щелочно-галоидных кристаллах // Физика твердого тела. 2004. Т. 46. № 9. С. 1614-1617.
11. Федоров В.А., Тялин Ю.И., Тялина В.А., Плуж-никова Т.Н., Чемеркина М.В. О зарождении трещин на границе свободного упругого двойника в кальците // Изв. РАН. Сер. физическая. 2004. Т. 68. № 10. С. 14841487.
12. Федоров В.А., Тялин Ю.И., Тялина В.А. Дислокационные механизмы разрушения двойникующихся материалов. М.: Машиностроение-1, 2004.
13. Tyalin Yu.I., Tyalina V.A., Zolotova D.V., Butya-gin A.A. Plastic deformation at the top of a stopped crack // Proc. of SPIE. 2007. V. 6597. Р. 6597OU1-6597OU3.
14. Тялин Ю.И., Тялина В.А., Золотова Д.В., Бутягин А. А., Осипова Е.Н. Структура полос скольжения, формируемых в вершине трещины при ее остановке // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 3. С. 23-26.
15. Тялин Ю.И. Микромеханизмы разрушения и залечивания трещин в материалах с различной кристаллической структурой: автореф. дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Белгород, 2004.
УДК 5З9.З
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КРИСТАЛЛОВ
С ЗАРЯЖЕННЫМИ ДИСЛОКАЦИЯМИ
© Ю.И. Тялин, В.А. Тялина
Ключевые слова: дислокация; скопление дислокаций; заряд дислокаций; зарождение микротрещин; электрическое поле.
Рассмотрены электрические эффекты в кристаллах с заряженными дислокациями. Показано, что наличие электрического заряда на дислокациях в диэлектрических и полупроводниковых кристаллах может существенно изменять условия зарождения микротрещин в скоплениях дислокаций, а также создавать значительные статические и переменные электрические поля при торможении и движении дислокационных скоплений.
Обычно при анализе процессов пластической деформации рассматривается только упругое взаимодействие дислокаций и создаваемые ими упругие поля напряжений.
В кристаллах с заряженными дислокациями такой подход требует определенного уточнения. В первую очередь это касается полупроводниковых соединений типа А2В6 и щелочно-галоидных кристаллов, в которых электрический заряд дислокаций достаточно велик и достигает в пределе одного элементарного на параметр решетки. В этом случае электростатическое взаимодействие сравнимо с упругим и может существенно влиять на равновесные положения дислокаций в скоплении. Это обстоятельство способно изменить, в частности, критерии зарождения микротрещин в дислокационных скоплениях. Из общих соображений ясно, что наличие электрического заряда на дислокациях должно привести к более жестким условиям их образования, т. к. кулоновское взаимодействие заряженных дислокаций увеличивает силы отталкивания между ними. Помимо этого, скопления заряженных дислокаций будут создавать в кристалле не только упругие, но и электрические поля. Это будут стационарные поля неподвижных скоплений заряженных дислокаций и низкочастотные переменные электрические поля, связанные с движением и перестройкой дислокационных скоплений. Впервые на некоторые особенности проявления V
подобных эффектов было обращено внимание в работе [1].
В настоящем сообщении анализируются классические дислокационные схемы зарождения микротрещин с учетом того обстоятельства, что дислокации являются заряженными и приводятся оценки эффекта для экспериментально наблюдаемых значений плотности дислокационных зарядов. Дополнительно рассматриваются электрические поля в окрестности скоплений и оценивается возможность электрического пробоя окружающей атмосферы и материала образца. Приведены также оценки частотного диапазона электрического сигнала, формирующегося при движении скопления в результате разрушения стопора, удерживавшего скопление, а также при образовании линии скольжения в вершине трещины.
1. Будем считать дислокацию равномерно заряженной с линейной плотностью заряда X. Последнюю можно также выразить через число / элементарных зарядов е, приходящихся на вектор Бюргерса Ь решетки X = е//Ь.
Уравнения равновесия дислокаций в плоском скоплении будут иметь следующий вид:
2Х2^ п 1
А +------2------------+Т{Х1 ) = 0, I = 1,2,...,п , (1)
еЬ J,=1,« х - х}
