CC BY
33
УДК 534.29.8:539.67
МИКРОСТРУКТУРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ АКУСТОПЛАСТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
В КРИСТАЛЛАХ
© К.В. Сапожников, С.Б. Кустов
Россия, С.-Петербург, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Sapozhnikov K.V., Kustov S.B. Micro-structural mechanisms of the acoustoplastic effect in crystals. The results of the comprehensive experimental investigations of the acoustoplastic effect in crystals are summarise. Based on these investigations, conclusions are drawn about basic microstructural mechanisms of the acoustoplastic effect.
Акустопластический эффект (АПЭ) проявляется при наложении механических колебаний на квазиста-тическую механическую нагрузку как ускорение ползучести [1] или как уменьшение деформирующего напряжения Act при активном деформировании [2]. Наложение колебаний вызывает дополнительную пластическую деформацию образца Авр, которая обусловлена либо движением существующих дислокаций, либо комбинацией дислокационного движения и размножения. При этом в приближении упругой разгрузки Act <х Авр.
До настоящего времени существуют противоположные точки зрения на механизмы и микроструктур-ные уровни, с которыми связан АПЭ. Это обусловлено в первую очередь тем, что экспериментальные исследования АПЭ были несистематическими. Накопленный экспериментальный материал по влиянию различных экспериментальных параметров на АПЭ зачастую противоречив, а в ряде случаев совершенно недостаточен. Имеющиеся теоретические подходы к описанию АПЭ являются феноменологическими и обычно не рассматривают каких-либо микроструктурных механизмов АПЭ. Они не могут объяснить всей совокупности экспериментальных данных. Для построения микроскопической теории АПЭ необходима информация о микро-структурных механизмах эффекта и оценка их вклада в зависимости от параметров эксперимента и особенностей дефектной структуры кристаллов. Чтобы получить такую информацию, было проведено комплексное исследование влияния различных экспериментальных параметров (амплитуда колебательных напряжений, температура, степень деформации, скорость деформирования, концентрация и состояние примеси, длительность ультразвукового воздействия) на величины АПЭ и поглощения энергии ультразвуковых колебаний, вызывающих этот эффект, при активном деформировании широкого круга кристаллов [3-7]. В качестве объектов исследования были выбраны щелочно-галоидные монокристаллы (NaCl, NaF, а также LiF с различным со-
держанием ионов Mg) и монокристаллы ГЦК металлов (примесный алюминий, чистая медь, твердый раствор замещения Си-№ с различной концентрацией №).
Для совместной регистрации АПЭ и поглощения энергии механических колебаний, вызывающих этот эффект, использовалась методика, базирующаяся на резонаторе Польмана - Лехфельдта [8]. В этой методике используются образцы, на длине которых укладывается три полуволны ультразвука используемой частоты, что позволяет прикладывать изгибающую квазистатическую нагрузку в узлах смещений стоячей волны. Исследования проводились с помощью измерительно-регистрирующего комплекса аппаратуры, включающего гидравлическую испытательную машину Инстрон-1341, оснащенную температурной камерой, и автоматизированную установку [9], позволяющую проводить одновременные исследования АПЭ и акустических характеристик твердых тел (амплитудно-зависимое внутреннее трение (АЗВТ) и дефект модуля Юнга) на ультразвуковых частотах 80-130 кГц резонансным методом составного пьезоэлектрического вибратора.
Обнаружено, что АПЭ наблюдается не только при макро-, но и при микропластическом деформировании на стадиях «упругого» нагружения и разгрузки [4, 5]. В процессе разгрузки знак АПЭ меняется: квазистатиче-ская нагрузка растет при наложении высокоамплитудного ультразвука (отрицательный АПЭ). Скорость ква-зистатического деформирования сильно влияет на величину АПЭ в условиях динамического деформационного старения (А1, №С1) и слабо влияет в отсутствие старения (Си). Данные, полученные для алюминия [4, 5], показывают, что в условиях динамического деформационного старения необратимое движение дислокаций, вызывающее АПЭ, начинается после прорыва подвижных дислокаций через протяженные атмосферы примесных атомов. Колебательное движение дислокаций в пределах атмосфер не сопровождается АПЭ.
Температурная зависимость АПЭ кардинально отличается от температурной зависимости амплитуднозависимой неупругости (АЗВТ и дефекта модуля Юн-
га). Для всех кристаллов (А1 [4, 6], №С1 [6], NaF) в исследованном диапазоне температур обнаружено усиление АПЭ с ростом температуры. Температурные зависимости АЗВТ и дефекта модуля Юнга кристаллов №С1 и А1 демонстрируют максимум, обусловленный конкуренцией двух термоактивированных процессов, различным образом влияющих на подвижность дислокаций [6].
Влияние концентрации примеси в твердом растворе исследовалось на монокристаллах Си - (1,3-7,6) а!% № [7], ориентированных для одиночного скольжения. АЗВТ и неупругая колебательная деформация сильно убывают с ростом содержания примеси, тогда как зависимость величины АПЭ от содержания примеси гораздо слабее и меняется на противоположную с ростом амплитуды колебательных напряжений.
Исследования кинетики АПЭ при фиксированных уровнях амплитуды колебательных напряжений [4, 7] позволили выделить две компоненты эффекта: «мгновенную» и зависящую от времени (релаксационную). Эти компоненты подобным образом зависят от концентрации примеси в твердом растворе замещения Си-№ [7], что свидетельствует об их общей природе.
Влияние состояния примеси (примесно-вакан-сионные диполи, примесно-вакансионные кластеры, преципитаты) исследовано [3] на примере монокристаллов LiF :Mg2+. Обнаружено, что наличие кластеров и преципитатов приводит к смене основного механизма АПЭ с активации движения имеющихся подвижных дислокаций на размножение дислокаций.
Проведенные комплексные исследования влияния различных экспериментальных параметров на АПЭ и амплитудно-зависимую неупругость кристаллов позволили сделать вывод, что основные микроструктурные уровни, ответственные за эти явления на ультразвуковых частотах, различны. АЗВТ и дефект модуля Юнга отражают, в основном, взаимодействие дислокаций с точечными дефектами при обратимом колебательном движении дислокаций. В отсутствие размножения дислокаций АПЭ обусловлен междислокационными взаимодействиями: механической активацией дислокационного движения через нескомпенсированные дально-действующие поля напряжений дислокационного ансамбля («мгновенная» компонента) и релаксацией этих полей, усиленной ультразвуковыми колебаниями (релаксационная компонента). Процессы деформирования при таком характере движения дислокаций определяются не зависимостью скорости деформации от напряжения, а длинами пробегов подвижных дислокаций между барьерами, образованными дислокационной структурой. Движение дислокаций между барьерами является высокоскоростным, ограниченным только вязким трением. Движение дислокаций через короткодействующие барьеры, образованные точечными дефектами, не дает непосредственного вклада в АПЭ, являясь обратимым благодаря возвращающей силе дальнодействующих полей внутренних напряжений. Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами играет вторичную роль в механизме АПЭ, даже в случае динамического деформационного старения. Неподвижные точечные стопоры, равномерно распределенные в объеме кристалла, влияют на пороговую амплитуду АПЭ, ограничивая колебательную подвижность дислокаций. В случае динамического деформационно-
го старения атмосферы подвижных точечных дефектов влияют на величину АПЭ, ограничивая число подвижных дислокаций, дающих вклад в АПЭ. Усиление АПЭ с ростом концентрации примеси в твердом растворе не может быть объяснено, исходя из представлений о термоактивированном характере движения дислокаций, но легко объясняется особенностями движения динамических дислокационных скоплений в дальнодейст-вующем рельефе внутренних напряжений [7]. Наличие в кристаллах таких мощных барьеров, как примесные кластеры и преципитаты, приводит к ограничению колебательной подвижности дислокаций и смене основного механизма АПЭ с активации движения имеющихся дислокаций на размножение дислокаций в результате взаимодействия подвижных дислокаций с кластерами и преципитатами. Можно предположить, что размножение происходит в результате интенсивного множественного поперечного скольжения дислокаций под действием внутренних напряжений, создаваемых кластерами и преципитатами.
Разложение типичной зависимости величины АПЭ от амплитуды колебательной деформации на составляющие компоненты предложено в работе [7]. «Мгновенная» компонента АПЭ ответственна за линейную амплитудную зависимость АПЭ, наблюдаемую для всех исследованных кристаллов в широком диапазоне амплитуд колебаний и сменяющуюся в ряде кристаллов насыщением при высоких амплитудах колебаний. Нелинейная стадия амплитудной зависимости величины АПЭ при малых амплитудах колебаний обусловлена вкладом релаксационной компоненты АПЭ.
Полученные результаты позволяют утверждать, что ни принцип линейной суперпозиции напряжений, ни уравнения термоактивированной пластической деформации не годятся для теоретического описания АПЭ, по крайней мере, для ультразвуковых частот. В качестве основных параметров теории АПЭ следует использовать статистические характеристики дислокационной структуры (плотность и распределение дислокаций).
ЛИТЕРАТУРА
1. Archbutt L. Failure of the lead sheathing of electric cables // Trans. Faraday Soc. 1921. V. 17. № 49. P. 22-35.
2. Blaha F., Langenecker B. Dehnung von Zink-Einkristallen unter Ultra-schalleinwirkung // Naturwissenschaften. 1955. B. 42. № 20.
S. 556-559.
3. Сапожников К.В., Кустов С.Б. Влияние содержания примеси на амплитудные зависимости акустопластического эффекта и внут-
реннего трения в процессе деформирования монокристаллов LiF:Mg2+ // ФГГ. 199б. T. 38. № 9. С. 2760-2769.
4. Sapozhnikov K.V., Kustov SB. Acoustoplastic effect and amplitude-dependent internal friction during deformation of impure aluminium single crystals // J. de Physique. IV. Coll. C 8. 1996. V. 6. P. C8-293-C8-296.
5. Сапожников К.В., Кустов С.Б. Акустопластический эффект и внутреннее трение монокристаллов алюминия на различных стадиях деформирования // ФІГ 1997. T. 39. № 10. С. 1794-1800.
6. Sapozhnikov K. V., Kustov S.B. Effect of temperature on the amplitude dependences of the acoustoplastic effect and internal friction during deformation of crystals // Phil. Mag. A. 1997. V. 7б. № б. P. 1153-1168.
7. Sapozhnikov K. V., Golyandin SN., Kustov S.B., Nishino Y., Asano S. Influence of impurity content on the acoustoplastic effect, internal friction, and Young’s modulus defect during deformation of Cu-Ni single crystals // Phil. Mag. A. 1998. V. 77. № 1. P. 151-166.
8. Pohlman R., Lechfeldt F. Influence of ultrasonic vibration on metallic friction // Ultrasonics. 1966. V. 4. P. 178-185.
9. Кустов С.Б., Кардашев Б.К., Иванов В.И. и др. Амплитуднозависимое поглощение ультразвука и действующий модуль упру-
гости керамики Y-Ba-Cu-O в интервале температур 6-290 К. Препринт ФЭИ-2141. Обнинск, 1990. 20 с.
