CC BY
39
УДК 539.2:538.6
МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ МАГНИТОПЛАСТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В КРИСТАЛЛАХ NaCI © А.А. Урусовская, В.И. Альшнц, А.Е. Смирнов, Н.Н. Беккауер
Россия, Москва, Институт кристаллографии РАН, РУДН
Urusovskaya А.А., Alshiz V.I., Smirnov А.Е., Bekkauer N N. Macroscopic magnetoplastic effect in NaCI crystals. NaCI crystals were deformed by compression at strain-rates from 10‘5 to 10'3 s'1 in a magnetic field 0 - 0.48 T. The stress-strain curves have shown the reducing of the yield point and the total level of the curves as a result of the magnetic field action. The magnetoplastic effect was found to be of the threshold character with two threshold Be values, the first value corresponding to the origination of the plastifying effect, the second one - to its disappearance.
ВВЕДЕНИЕ
Макроскопический магнитопластический эффект обнаружен как у металлов [1 - 4], так и неметаллов [5 - 8]. В случае металлов получены противоречивые результаты, свидетельствующие и об упрочняющем [1], и разупрочняющем [2] влиянии магнитного поля на пластическое течение, а также об отсутствии эффекта [3]. На величину эффекта влияют температура опыта, а также скорость и степень деформации [4]. Для неметаллов (щелочногалоидных кристаллов) замечено только разупрочняющее действие магнитного поля, проявляющееся в снижении предела текучести [5, 6], скорости деформационного упрочнения [7] и микротвердости [8]. Обнаружена анизотропия эффекта: эффект максимален, когда магнитные силовые линии перпендикулярны краевым дислокациям. Для кристаллов 1лР продемонстрировано изменение под влиянием магнитного поля не только предела текучести, но и всех стадий кривой деформации. Однако из-за высокого предела текучести изученных в [5] кристаллов УР (около 3 МПа) и большого порогового значения магнитного поля Вс > 0,35 Тл при доступном в [5] максимуме В » 0,5 Тл оказалось невозможным изучить характер изменения предела текучести с ростом В.
Для кристаллов ЫаС1 помимо снижения предела текучести замечено уменьшение угла наклона «упругого» участка кривой деформации. Этот факт может означать, что изученные кристаллы очень мягкие с ничтожным пределом текучести. В этом случае «упругий» участок на самом деле соответствует II стадии пластической деформации, а «предел текучести» - напряжению начала III стадии деформации. В связи с этим представлялось необходимым изучить деформацию в магнитном поле на более жестких кристаллах ЫаС1 с фиксируемым пределом текучести.
В настоящей работе исследовано влияние магнитного поля на пластическую деформацию кристаллов №С1 с пределом текучести около 1 МПа.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Объектом исследования служили кристаллы без заведомо введенных примесей (ЛОМО). Суммарное содержание примесей около 10'3 вес.%. Изучены образцы двух типов: неотожженных, выколотых по плоскости спайности из состаренных при комнатной температуре
кристаллов, и отожженных образцов, выколотых из предварительно Т - облученных кристаллов. Размер образцов около 2,5x2,5x8 мм.
Механические испытания сжатием проводились на той же установке, что и в [5]. Магнитное поле создавалось путем надвигания на образец постоянного магнита с раздвижными полюсами. Максимальное возможное значение магнитной индукции составляло 0.48 Тл. Исследованы форма кривых деформации, а также зависимость предела текучести от магнитной индукции (5 = 0- 0,48 Тл) при разных скоростях деформации (ё = 10 '- Ю'3 с'1). Для кривых деформации кристаллов ЫаС1 характерен нечетко выраженный предел текучести. В связи с этим предел текучести оценивали как напряжение, при котором происходит отклонение кривой от начального прямолинейного хода.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Кривые деформации как в отсутствии магнитного поля, так и при его наложении, как правило, имели три стадии. Магнитное поле изменяло предел текучести и ход всей кривой сжатия. На рис. 1 показана серия кривых, полученных в различных магнитных полях при сжатии отожженного кристалла. Четко прослеживается снижение уровня кривых под влиянием магнитного поля и тем больше, чем выше значение В. При этом угол наклона упругого линейного участка при всех В остается постоянным. Обращает на себя внимание заметное сокращение всех стадий пластического течения по интервалу как деформаций так и напряжений, то есть магнитное поле ускоряет смену стадий деформации. Это означает, что магнитное поле стимулирует скольжение не только в главной системе скольжения типа {110} [1 1 0], но и во вторичных системах того же семейства плоскостей и направлений скольжения. На рис. 1 видно также уменьшение угла наклона на I и II стадиях, свидетельствующее о снижении скорости деформационного упрочнения, как это наблюдалось в кристаллах ЫР [5].
В отличие от кривых сжатия отожженных образцов, кривые неотожженных образцов не обнаруживают четкого изменения хода всей кривой под влиянием магнитного поля за пределом текучести (рис. 2). Это означает, что магнитное поле не способно преодолеть влияние на пластичность многочисленных дефектов, в
первую очередь, дислокаций, присутствующих в не-отожженных образцах.
На рис. 3 и 4 представлены зависимости предела текучести от магнитной индукции соответственно для
а,МПа
Рис. 1. Кривые деформации отожженных кристаллов ЫаС1, полученные при сжатии в магнитном поле: В = 0 - (1), 0,2 Тл -(2) и 0,48-(3). ё = 5-10-4 с*'.
С, МПа 9
отожженных и неотожженных кристаллов. На примере неотожженных образцов демонстрируется также влияние скорости деформации. На рис. 3 и 4 видно существование трех стадий хода кривых от{В). I стадия - область независимости ат(В), заканчивающаяся пороговым значением магнитного поля Вс, выше которого начинается снижение предела текучести с ростом магнитной индукции. II стадия - область быстрого спада стт(5), а на III стадии спад резко замедляется и. по аналогии с данными для отожженных кристаллов, можно предполагать, что и у неотожженных образцов №С1 третья стадия завершается изчезновением зависимости предела текучести от дальнейшего повышения магнитной индукции при В выше доступных в наших опытах значений, то есть при В > 0,5 Тл. Таким образом, помимо порога Вс может существовать второй порог В'с - порог окончания влияния магнитного поля на пластичность кристалла. Пластическое течение за порогом В'с определяется немагниточувствительными препятствиями.
(Тт,МПа
Рис. 4. Зависимости предела текучести от магнитной индукции неотожженных кристаллов №С1, сжатых при разных скоростях деформации: ё = 1,4-10'5 - (1), 2-10'5 - (2), 3-10"5 -(3), 7,3-10'5 - (4), 1,75-Ю-4 -(5), 5 10-* -(6), 1,4-10'3с’1 -(7).
Рис. 2. Кривые деформации неотожженных кристаллов ЫаС1 при сжатии в магнитном поле разной напряженности: В = 0 - (1). 0,3 Тл - (2), 0.4 - (3) и 0,48 - (4). ё = 5-10-4с‘|.
а,МПа
_______I______I______I______I______I__
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 В, Тл
Рис. 3 Зависимость предела текучести от магнитной индукции для отожженного ЫаС1. ё = 5Т0-1 с'1.
(Гр МПа
0 104 8,С-‘ Ю-3
Рис. 5. Зависимость предела текучести от скорости деформации при разных магнитных полях: В ~ 0 - (1), 0,1 Тл - (2),
0,15 - (3), 0,2 -(4), 0,3 - (5), 0,4 - (6) и 0,48 -(7).
Выключение магнитным полем части препятствий для дислокаций должно сопровождаться увеличением активационного объема, который можно оценить по формуле Конрада-Видерзиха [9].
у = кТ
31пё до*
(1)
где к - константа Больцмана, Т - абсолютная температура, а* - эффективное напряжение, действующее на дислокацию. Построив по данным рис. 4. зависимость стг от ^ё для разных магнитных полей (рис. 5) и пересчитав пределы текучести на эффективные напряжения а' методом Михалака [10], с помощью (1) получили зависимость у (В) (рис. 6). Обнаруженный рост активационного объема с ростом В в области спада предела
Рис. 6. а) Начальный участок рис. 5 в увеличенном масштабе (значения цифр те же), б) Зависимость относительного значения активационного объема от магнитной индукции (у0 - активационный объем при В = 0).
в„т
Рис. 7. Зависимость первого порогового значения магнитной индукции от скорости деформации.
текучести означает уменьшение под влиянием магнитного поля количества препятствий для дислокаций, а сравнительная стабильность у, низкие Вс и высокие В'с согласуются существованием порогов по В.
Пороговые значения магнитной индукции зависят от скорости деформации: пороги тем ниже, чем меньше ё. На рис. 7 приведена экспериментальная зависимость Bd ё ). В координатах Вс - ё 1/2 эта зависимость прямолинейна, причем при самых низких скоростях Вс ^ 3-10'5 с'1 порог не зависит от ё .
ВЫВОДЫ
1. Обнаружен макроскопический магнитопластический эффект в кристаллах NaCl, заключающийся в понижении уровня кривых пластического течения в процессе деформации с постоянной скоростью. Макроскопический магнитопластический эффект связывается с откреплением дислокаций под влиянием магнитного поля от магниточувствительных примесных центров.
2. Полученные результаты свидетельствуют о пороговом характере изменения предела текучести с ростом магнитной индукции, причем получены указания на существование двух порогов. Первый порог Вс соответствует началу пластифицирующего воздействия магнитного поля, а второй В'с - окончанию магнитного влияния. Пороговые значения В зависят от скорости деформации при ё < 310'5 с'1.
3. Большое влияние на эффект оказывает отжиг образцов, понижающий пороговое значение магнитной индукции и обеспечивающий проявление пластифицирующей роли магнитного поля за пределом текучести на всем протяжении кривой деформации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Galligan J.M.. Pang C.S. The electron drag on the mobile dislocations in copper and aluminium at low temperatures. Strain rate, temperature and field dependence II J. Appl. Phys. 1979. V. 50. № 10. P. 6253-6258.
2. Крыловский B.C., Лебедев В.П., Хоткевич В.И. Влияние магнитного поля до 67 кЭ на предел текучести алюминия // ФНТ. 1981. Т. 7 № 12. С. 1550-1557.
3. Болыиуткин Д.Н., Десненко В.А. Об изменении деформирующих напряжений нормальных металлов при наложении и снятии магнитного поля // ФНТ. 1981. Т. 7. № 5. С. 652-657.
4. Galligan J.M.. Goldman P.D., Motowidlo L. Pellegrino J. Electron dislocations drag at low temperatures // J. Appl. Phys. 1986. V. 59 №11. P. 3747-3755.
5. Урусовская А.А.. Алыииц В.И., Смирнов А.Е., Беккауер Н.Н. О влиянии магнитного поля на предел текучести и кинетику макропластичности кристаллов LiF // Письма в ЖЭТФ 1997. Т. 65. К» 6 С. 470-474
6. Урусовская А.А.. Смирнов А.Е.. Беккауер Н.Н. Макроскопический магнитопластический эф4>ект в кристаллах NaCl и LiF // Изв. РАН. Сер. Физика. 1997. Т. 61. № 5. С. 937-940.
7. Головин Ю.И.. Моргунов Р.Б. Влияние постоянного магнитного поля на скорость макроскопического течения ионных кристаллов // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 61 № 7. С. 583-586.
8. Golovin Yu.l., Morgunov R.B., Lopatin D.V., Baskakov A.A. Influence of a strong magnetic field pulse on NaCl microhardness // Phys. Stat. Sol (a). 1997. V. 160. № I . P. R3-R4
9. Michalak J.F. The influence on the developmant of long-range international stress during the plastic defonnation of high-purity iron // Acta Met. 1995. V. 13. № 3. P. 213-223.
10. Conrad H.. Wiedersich H. Activation energy for deformation of metal at low temperatures // Acta Met. 1960. V. 8. №. 2. P. 128-130.
