CC BY
33
УДК 5З9.З
ПОРОГОВЫЙ ЭФФЕКТ ВЛИЯНИЯ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ НА ПЛАСТИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ МЕДИ
© В.М. Андронов
Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, г. Харьков, Украина,
e-mail: vma@ic.kharkov.ua
Ключевые слова: нитевидный кристалл; точечный дефект; дислокация; константа торможения.
Исследовано влияние точечных дефектов на механические свойства нитевидных кристаллов, установлен пороговый эффект изменения механических свойств при повышении концентрации примесей.
Стремление к созданию физической модели пластической деформации нитевидных кристаллов, которая бы не имела внутренних противоречий, привело к необходимости предположений о действии динамических механизмов размножения дислокаций [1]. Функционирование таких механизмов требует релятивистских скоростей дислокаций, благодаря чему их кинетическая энергия может превысить энергию создания новой дислокации. Для того чтобы доказать это положение, необходимо найти способ контролируемого управления силой торможения дислокаций. Среди возможных таких механизмов выбрано взаимодействие дислокаций с точечными дефектами.
Исследование проводили на нитевидных кристаллах меди в интервале диаметров от 5 до 25 мкм трех кристаллографических ориентаций <111>, <110>,
<100>. Концентрация примесей изменялась с шагом 1 масс.%. Механические испытания осуществлялись с помощью авторской методики комплексного исследования релаксационных и механических свойств нитевидных и ленточных образцов [2].
Для решения проблемы применялись разные способы введения точечных дефектов: у-облучение с энергией 5 МэВ, ионная имплантация атомов аргона, диффузионное введение примесей олова и серебра, выращивание кристаллов с заданными примесями серебра. Это позволило пройти определенный эволюционный путь использования разнообразных по силе закрепления дислокаций стопоров в виде точечных дефектов, влияющих на торможение движения дислокаций.
Пороговый эффект. В пределах погрешности экспериментов и разброса результатов, присущих нитевидным кристаллам, установлено, что малые концентрации примесей (серебра ниже 2-4% масс., для олова 6-8% масс.) не производят заметного влияния на основные характеристики диаграммы деформирования нитевидных кристаллов: верхний предел текучести, средние напряжения на стадии легкого скольжения, амплитуду скачков напряжений, длительность стадии легкого скольжения. Эти результаты (примечательные сами по себе) совпадают с теми, что получены при у-облучении, и свидетельствуют о низкой эффективно-
сти точечных дефектов как демпфирующих стопоров для движения дислокаций при малых концентрациях примесей.
Ситуация радикально изменяется при дальнейшем увеличеннии концентрации примесей в нитевидных кристаллах меди. Если концентрация примесей серебра превышает 4-6 % масс., а олова 8-10 % масс., диаграмма напряжение-деформация по своему виду становится похожа на аналогичные диаграммы, которые были получены при исследовании нитевидных кристаллов меди после их бомбардировки ионами аргона [3]. Анализ диаграмм деформирования выявил, что на них резко уменьшается амплитуда скачков напряжений, сокращается степень пластической деформации до разрушения, а уровень средних деформирующих напряжений становится более высоким. Гистограммы скачков напряжений указывают на существенное уменьшение их амплитуды и, соответственно, сокращения длины свободного пробега дислокаций. Этот факт однозначно свидетельствует о возрастании константы торможения дислокаций и росте совокупной эффективности используемых стопоров для демпфирования движения дислокаций.
Изменения характера деформирования происходят внезапно при превышении определенной концентрации примесей, точную границу которой установить трудно вследствие большого разброса результатов. Таким образом, влияние изученных примесей серебра и олова, а также радиационных дефектов на деформационные свойства нитевидных кристаллов меди, носит пороговый характер: при высоких концентрациях примесей, которые превышают 6-8% масс. Би и 4-6% масс. Ag, происходит резкое изменение характера деформирования, и оно отвечает большим дозам облучения ионами аргона [3], т. е. резко сокращается стадия «легкого» скольжение и общая деформация до разрушения, диаграмма укрепления характеризуется весьма высоким уровнем деформирующих напряжений, амплитуда скачков уменьшается приблизительно на порядок величины, уровень напряжений монотонно повышается в процессе нагружения и отвечает стадии упрочнения по характеру осцилляций напряжений и её длительности.
90З
Обсуждение результатов. Характер влияния примесей на вид диаграммы упрочнения нитевидных кристаллов подтверждает тот факт, что основной причиной нестабильного пластического течения и скачков напряжений на стадии «легкого скольжения» есть высокие скорости дислокаций и релятивистские эффекты при их размножении. Высокий уровень локальных напряжений на фронте полосы Людерса-Чернова вызывает большие ускорения при зарождении дислокаций. Скорость дислокаций как функция напряжений характеризуется сильной степенной зависимостью:
v=aB-'а38, (1)
где V - скорость дислокаций; В - константа торможения; а - механические напряжения; а - коэффициент.
Благодаря этому дислокации в чистых кристаллах быстро достигают релятивистских скоростей. Их движение становится надбарьерным, и при малых концентрациях примесей стопоры на их пути оказываются неэффективными. Но с повышением концентраций возросшее число точечных дефектов приводит к увеличению константы торможения дислокаций В и снижению их скорости. Наконец, достигается такая концентрация примесей, при которой скорости дислокаций становятся недостаточными для механизмов динамического размножения. Критерий вытекает из сути механизмов динамического размножения дислокаций: кинетическая энергия движения должна превышать энергию образования новой дислокации:
М^2/-\/1 -V2/с2 > ОЬ214% , (2)
где Мо - погонная масса покоя дислокации; V - скорость дислокаций; с - скорость звука; О - модуль сдвига; Ь - вектор Бюргерса.
Таким образом, становится понятным пороговый характер влияния концентрации точечных дефектов на механическое поведение нитевидных кристаллов. Если по определенным причинам скорость дислокации уменьшается, то кинетической энергии дислокации не хватает для действия механизмов динамического размножения, которые дают большое количество новых дислокаций, а это в свою очередь приводит к уменьшению амплитуды скачков напряжений на кривой напряжение-деформация. Движение дислокаций теперь значительно замедляется и контролируется термическими флюктуациями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андронов В.М., Гвоздиков А.М. // Изв. РАН. Сер. Физ. 1993. Т. 57. № 11. С. 120-128.
2. Пинес Б.Я., Андронов В.М., Рабухин В.Б. // ПТЭ. 1969. № 1. С. 177.
3. Андронов В.М., Бархатова О.А., Дубовик В.Н. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 1996. Вып. 6 (72). С. 34-40.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Andronov V.M. Threshold effect of influence of point defects on a plastic current of copper whiskers.
Influence of point defects on mechanical properties of copper whiskers is investigated; the threshold effect of change-over of mechanical properties at increase of concentration of impurity is established.
Key words: whiskers; point defects; dislocations; braking constant.
