CC BY
20
УДК 05.1; 06.4
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1432-1435
МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА, ДЕФОРМИРУЕМОГО В УСЛОВИЯХ ЭФФЕКТА ПОРТЕВЕНА-ЛЕ ШАТЕЛЬЕ
© А.А. Шибков, А.Е. Золотов, М.А. Желтов, А.А. Денисов, М.Ф. Гасанов
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Проведен анализ механизмов сигналов электромагнитной эмиссии, сопровождающих прерывистую деформацию Портевена-Ле Шателье в алюминиевых сплавах. Показано, что предпочтительным является механизм смещения поверхностной электрически активной окисной пленки, вызванный образованием деформационной полосы.
Ключевые слова: алюминий-магниевый сплав; прерывистая деформация; оксидный слой; электромагнитная эмиссия.
Известно, что пластическая деформация и разрушение твердых тел сопровождается генерированием частот акустической и в ряде случаев электромагнитной эмиссии в широкой полосе. Электромагнитная эмиссия (ЭМЭ) - нестационарное изменение потенциала электрического поля вблизи деформируемого кристалла. Дискретные сигналы ЭМЭ в полосе частот 103106 Гц, как правило, сопровождают пластическую деформацию высокоомных кристаллических материалов и отражают неустойчивые процессы структурной релаксации преимущественно на мезоскопическом структурном уровне, связанные с динамикой скоплений заряженных дислокаций [1], электрически активных берегов трещин [2-4] и фазовых границ [5]. Автор работы [6] наблюдал сигналы ЭМЭ в процессе прерывистой деформации Портевена-Ле Шателье в алюминиевом сплаве AlCu4PbMgMn и стали С45 и связал это явление в основном с разрывом окисной пленки при выходе на поверхность дислокационных скоплений.
Цель настоящей работы - исследовать связь характеристик сигнала ЭМЭ с развитием полос макро-локализованной деформации и скачков деформации в алюминий-магниевом сплаве АМг6, демонстрирующем прерывистую деформацию при комнатной температуре [7].
Обсудим возможные механизмы разделения зарядов в деформируемом сплаве, способные вызвать генерирование сигналов ЭМЭ. В отличие от диэлектриков и полупроводников, для которых максвелловское время релаксации хМ , как правило, больше характерных времен х Л эволюции дислокационных ансамблей на мезоскопическом и макроуровне. Дислокации в металлах, как и в кристаллах с ковалентной и ионной связью несут электрический заряд. Его причиной является нелинейная дилатация ядра, вызывающая нарушение баланса между областями растяжения и сжатия по обе стороны от плоскости скольжения [8]. В результате вблизи дислокации образуется пониженная по сравне-
нию с бездефектным объемом плотность ионов, а также электронов, компенсирующих их заряд. В ходе установления равновесия в область ядра перейдут дополнительные электроны, создавая отрицательный погонный заряд дислокации равный д ~ 0,01-0,1 е/а [8] (где е - элементарный заряд; а - межатомное расстояние). Поэтому в деформируемом металле часть электронов Дя будет связана с дислокационными ядрами и поэтому плотность свободных электронов будет понижена на величину Дя, что вызовет соответствующее уменьшения энергии Ферми ДЕу по сравнению с бездислокационным металлом.
Основным механизмом развития макроскопической пластической неустойчивости, приводящей к ступенчатой деформации сплава А1-Мё, как установлено в [7], является зарождение и размножение деформационных полос (полос Савара-Массона). При зарождении и расширении полосы Савара-Массона, так же как и полосы Людерса, связанной с лавинообразным размножением дислокаций, между областью внутри полосы, где происходит интенсивная пластическая деформация, и областью вне полосы, в которой отсутствуют свежие дислокации, возникает разность потенциалов иЛ , аналогичная контактной разности потенциалов между металлами с разными уровнями Ферми. Абсолютная величина этой разности потенциалов равна
1 дЕг
иа =ДЕГ /е = Дя . (1)
е он
Уровень Ферми металла определяется, как известно [9], концентрацией электронов п в зоне проводимости:
й2
ЕГ = (3п2я)2/3 , (2)
где Й - квант действия; т - эффективная масса электрона. Из формулы (1) и (2) имеем
иа = (2/3в)Еу Ап / п .
(3)
Количество электронов в единице объема, находящихся в ядрах дислокаций, т. е. Ап , связано с плотностью дислокаций очевидным соотношением Ап = /е , где по определению р^ равна суммарной длине дислокаций в единице объема. Для оценки сверху положим погонный заряд дислокации q ~ 0,1 е/а [8], а плотность подвижных дислокаций в полосе деформации р^ ~ (1-3) -109 см-2. Принимая для А1
Е = 5,73 эВ, п = 6,25 -1022 см-3 [10], а = 0,4 нм и учитывая, что е = 1,6•10~19 Кл, Й = 1,054-10-34 Дж • с, т = 1,16 те [11], где те = 9.11031 кг - масса электрона, получим из формулы (3) оценку разности потенциалов на границе полосы деформации и4 ~ (0,20,6) мкВ, что значительно меньше амплитуды экспериментально наблюдаемого сигнала ЭМЭ, генерируемого в ходе развития одиночной полосы деформации в сплаве А1-М^ [6].
Известно, что динамика полос макролокализован-ной деформации сопровождается тепловым эффектом. Данные тепловизионной съемки распространяющихся полос деформации в сплавах Al-Mg показали, что нагрев материала в полосе не превышает АТ ~ 1 К [12]. Следовательно, величина термоэдс Аит = аАТ , связанная с неоднородным распределением температурного поля в образце с движущейся полосой деформации, есть величина порядка микровольта, т. к. для А1 термоэлектрический коэффициент а« 2 -10~6 В/К [13] и Ц ~ 2мкВ. Таким образом, механизма: разделения зарядов, связанные с выравниванием уровня Ферми в металлическом образце с распространяющейся полосой макролокализованной деформации как в неоднородном проводнике с градиентом плотности дислокаций и температуры, не способны объяснить наблюдаемых сигналов ЭМЭ.
Рассмотрим роль динамики и/или разрыва диэлектрической окисной пленки в генерировании сигнала ЭМЭ в ходе образования и распространения деформационных полос на поверхности алюминиевого сплава. Согласно [14], при температурах ниже приблизительно 60 °С на поверхности алюминия в сухой воздушной среде образуется оксидный слой А1203 толщиной порядка 10 нм, состоящий из первичного рентгеноаморф-ного слоя толщиной « 4 нм, который образуется в течение нескольких миллисекунд и последующего медленно растущего кристаллического слоя (при более высоких температурах во влажной среде оксидный слой имеет другой состав и структуру [14]). Природа электрической активности оксидного слоя непосредственно связана с механизмом его роста. В настоящее время экспериментально подтвержден механизм формирования оксидного слоя на поверхности алюминия, предложенный ранее Моттом и Кабрерой [15-16]. В соответствии с этим механизмом после начальной очень быстрой стадии образования окисной пленки, когда молекулы кислорода не могут адсорбироваться
на поверхности металла, а лишь на поверхности окисла, электроны проводимости, находящиеся вблизи уровня Ферми металла, туннелируют сквозь окисную пленку и оседают на уровнях кислорода, расположенных ниже уровня Ферми. В результате внешняя поверхность оксида заряжается отрицательно, а противоположный заряд, соответственно, находится в металле вблизи фазовой границы металл-окисел. Возникающая разность потенциалов порядка 1 В создает в тонкой окисной пленке электрическое поле напряженностью 3-10 МВ/см [17]. Это поле вытягивает катионы металла к внешней границе окисел-газ, где происходит реакция окисления. Такой механизм обеспечивает нормальный рост окисной пленки до 15-20 нм, когда туннельный ток значительно падает из-за роста ширины барьера, а электрическое поле в оксидном слое уменьшается до значения, недостаточного для доставки ионов металла на внешнюю поверхность слоя.
Будем считать в первом приближении, что сигнал ЭМЭ обусловлен перемещением нормально к зонду двойного электрического слоя, связанного с окисной пленкой в ходе образования и расширения полосы деформации. Отметим, что полоса деформации в плоском образце представляет собой расширяющуюся шейку. Для деформируемых образцов сплава АМг6 ее типичная максимальная глубина в профиле составила 0,6-0,8 мкм, а средняя - 0,3-0,4 мкм.
Потенциал поля двойного электрического слоя определяется выражением [18]
ф = (4к е0 ) I т йЮ ,
(4)
где ЙЮ - элемент телесного угла, т = сте8 - мощность слоя толщиной 8 , сте - поверхностная плотность заряда, связанная с разностью потенциалов ие между внешней и внутренней поверхностью окисной пленки соотношением ае = 808Ц / 8 , где 8 - диэлектрическая проницаемость материала пленки; 80 - электрическая постоянная. Поэтому потенциал поля на расстоянии г от окисленной поверхности алюминиевого образца
_ 8 и е АБ ф 4кг2 г
(5)
где АБ - площадь слоя. Предположим, что при образовании полосы деформации часть двойного слоя площадью, равной площади полосы АБ « А , удаляется от зонда в среднем на величину Аг , равную средней глубине шейки, тогда изменение потенциала Аф в точке г будет пропорционально среднему «объему шейки» ААг :
Зф , 8 Ц, ААг Аф = —- Аг = - е
Зг
2кг3
(6)
Полагая для окисленного алюминия ие « 1 В [19], диэлектрическую проницаемость окисной пленки А1203 8« 10 и учитывая результаты экспериментов:
А и 3 мм2, г =1 мм и Дг и 0,35 мкм, получим Дфи 2 мВ. Далее необходимо учитывать, что входная цепь предусилителя содержит емкостный делитель, состоящий из собственной емкости зонда С ~ 1 пФ и входной емкости Сй и 20 пФ, тогда смещение двойного слоя на поверхности металла, связанное с эволюцией деформационной полосы, может вызвать сигнал ЭМЭ амплитудой ДфСр /(Снп + Ср) и 100 мкВ, что по порядку величины совпадает с амплитудой наблюдаемых сигналов ЭМЭ, связанных с развитием деформационных полос.
Окисная пленка Л1203 более хрупкая, чем алюминиевая матрица и может разрушаться при образовании поверхностной ступени в результате выхода дислокационного скопления. Образование и рост окисной пленки на свежих участках поверхности вызовет формирование двойного электрического слоя по описанной качественно выше теории Мотта-Кабрера. Согласно [11], первичный аморфный слой А1203 образуется в течение нескольких миллисекунд на воздухе при атмосферном давлении. Соответственно, сигнал ЭМЭ Феме (О должен возникать на несколько мс позже начала скачка разгрузки ст(/) , обусловленного зарождением полосы деформации. Реально измеряемые сигналы фЕМЕ (/) и ст(/) стартуют одновременно в пределах 0,5 мс (временной шаг при скорости регистрации данных 2 кГц) при зарождении полосы деформации. Поэтому можно заключить, что процессы окисления, связанные с разрывом окисной пленки, играют второстепенную роль в генерировании наблюдаемых сигналов ЭМЭ, вызванных полосообразованием.
Таким образом, приведенные количественные оценки показывают, что среди перечисленных возможных причин генерирования сигналов ЭМЭ в ходе пре-
рывистой деформации наиболее непротиворечивым представляется механизм смещения поверхностной электрически активной окисной пленки Al O , вызванного образованием полосы макролокализованной деформации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шибкое A.A., Казаков A.A. // Кристаллография. 2GG9. Т. 54. С. 323.
2. Petrenko V.F. // Phil. Mag. B. 1993. V. 6?. № 3. P. 3G1-315.
3. Шибкое A.A., Желтое M.A., Скворцов В.В., Кольцов Р.Ю., Шукли-ное A.B. // Кристаллография. 2005. Т. 50. № б. С. 1073-1G83.
4. Шибкое A.A., Кольцов Р.Ю., Желтое M.A. // Кристаллография. 2GG6. Т. 51. № 1. С. 104-111.
5. Шибкое A.A., Желтое M.A., Королев A.A. // Природа. 2000. № 9. С. 12-2G.
6. Schmitter E.D. // Physics Letters A. 2007. V. 3б8. № 3-4. P. 32G.
?. Шибкое A.A., Золотое A.E., ЖелтоеM.A. // Изв. РАН. Серия физическая. 2012. Т. 7б. № 1. С. 9?-1G?.
8. Орлов A.H. Введение в теорию дефектов в кристаллах. М. : Высшая школа, 1983. 144 с.
9. Aшкрофт H., Meрмин H. Физика твердого тела: в 2 т. М.: Мир, 1979. Т. 2. 424 с.
1G. Sprecher A.F., Mannan S.L., Conrad H. // Acta Metall. 198б. Т. 34. С. 1145.
11. Киселев A.K, Aкашee Л.А., Кононенко В.И. // ЖТФ. 2004. Т. 74. С. 20.
12. КришталM.M. // МиТОМ. 2003. № 4. С. 2б-34.
13. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М. : Металлургия, 198G. 174 c.
14. Vargel С. Corrosion of aluminium. Oxford: Elsevier Ltd., 2GG4. 658 p.
15. MottN.F. // Transactions ofthe Faraday Society. 1939. V. 35. P. 1175.
16. Cabrera N. // Revue de Metallurge. 1948. V. 45. P. 86-92.
1?. Mотт H., Генри Р. Электронные процессы в ионных кристаллах. М.: ИИЛ, 19б0.
18. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 197б. б1б с.
19. Евдокимов В.Д., Семое Ю.И. Экзоэлектронная эмиссия при трении. М.: Наука, 1973. 181 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-G8-GG773).
Поступила в редакцию 10 апреля 201б г.
UDC G5.1; G6.4
DOI: 1G.2G31G/181G-G198-2G16-21-3-1432-1435
MECHANISMS OF ELECTROMAGNETIC EMISSION OF ALUMINIUM ALLOY STRAINING IN CONDITIONS OF PORTEVIN-LE CHATELIER EFFECT
© A.A. Shibkov, A. E. Zolotov, M.A. Zheltov, A.A. Denisov, M.F. Gasanov
Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: [email protected]
The analysis of mechanisms of the signals of electromagnetic emission accompanying serration deformation Portevin-Le Chatelier in aluminum alloys is carried out. It is shown that the mechanism of shift of an electrically active oxide film caused by formation of a deformation band is preferable. Key words: aluminum-magnesium alloy; serration deformation; oxide layer; electromagnetic emission.
REFERENCES
1. Shibkov A.A., Kazakov A.A. Kristallografiya - Crystallography Reports, 2009, vol. 54, p. 323. 1434
2. Petrenko V.F. Phil. Mag. B, 1993, vol. 67, no. 3, pp. 301-315.
3. Shibkov A.A., Zheltov M.A., Skvortsov V.V., Kol'tsov R.Yu., Shuklinov A.V. Kristallografiya - Crystallography Reports, 2005, vol. 50, no. 6, pp. 1073-1083.
4. Shibkov A.A., Kol'tsov R.Yu., Zheltov M.A. Kristallografiya - Crystallography Reports, 2006, vol. 51, no. 1, pp. 104-111.
5. Shibkov A.A., Zheltov M.A., Korolev A.A. Priroda - Nature, 2000, no. 9, pp. 12-20.
6. Schmitter E.D. Physics Letters A, 2007, vol. 368, no. 3-4, p. 320.
7. Shibkov A.A., Zolotov A.E., Zheltov M.A. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya fizicheskaya — Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2012, vol. 76, no. 1, pp. 97-107.
8. Orlov A.N. Vvedenie v teoriyu defektov v kristallakh. Moscow, Vysshaya Shkola Publ., 1983. 144 p.
9. Ashkroft N., Mermin N. Fizika tverdogo tela: v 2 t. Moscow, Mir Publ., 1979, vol. 2, 424 p.
10. Sprecher A.F., Mannan S.L., Conrad H. ActaMetall., 1986, vol. 34, p. 1145.
11. Kiselev A.I., Akashev L.A., Kononenko V.I. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki — Technical physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2004, vol. 74, p. 20.
12. Krishtal M.M. Metallovedenie. Termicheskaya obrabotka metallov—Metal Science and Heat Treatment, 2003, no. 4, pp. 26-34.
13. Livshits B.G., Kraposhin V.S., Linetskiy Ya.L. Fizicheskie svoystva metallov i splavov. Moscow, Metallurgy Publ., 1980. 174 p.
14. Vargel S. Corrosion of aluminium. Oxford, Elsevier Ltd., 2004. 658 p.
15. Mott N.F. Transactions of the Faraday Society, 1939, vol. 35, p. 1175.
16. Cabrera N. // Revue deMetallurge, 1948, vol. 45, pp. 86-92. (In French).
17. Mott N., Genri R. Elektronnye protsessy v ionnykh kristallakh. Moscow, Foreign Literature Publ., 1960.
18. Tamm I.E. Osnovy teorii elektrichestva. Moscow, Nauka Publ., 1976. 616 p.
19. Evdokimov V.D., Semov Yu.I. Ekzoelektronnaya emissiyapri trenii. Moscow, Nauka Publ., 1973. 181 p.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (project no. 1608-00773).
Received 10 April 2016
Шибков Александр Анатольевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Shibkov Aleksander Anatolevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Золотов Александр Евгеньевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, email: [email protected]
Zolotov Aleksander Evgenevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Желтов Михаил Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Zheltov Mikhail Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Денисов Андрей Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, инженер кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Denisov Andrey Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Engineer of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Гасанов Михаил Фахраддинович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, инженер кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Gasanov Mikhail Fakhraddinovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Engineer of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
