CC BY
41
УДК 5З9.З
ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ В УСЛОВИЯХ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
© М. А. Алиев, Х.Ш. Чартаев
Махачкалинский филиал Московского автомобильно-дорожного института, г. Махачкала, Россия,
e-mail: [email protected]
Ключевые слова: электропластичность; деформация; упрочнение; скорость деформации; прерывистая текучесть; структуроформирование.
Применен новый электростимулированный метод обработки кристаллов при их пластическом деформировании, заключающийся в прохождении постоянного электрического тока высокой плотности по деформируемому образцу. Структура кристалла лучше модифицируется при наличии дополнительных параметров порядка.
Одной из перспективных и привлекательных идей для технологий структуроформирования в кристаллах является идея управления механическим поведением твердых тел и их структуры с помощью электрического поля [1].
В настоящее время вопросы прочности и пластичности, кристаллизации, фазовых и структурных превращений в твердом состоянии и многие другие проблемы современного материаловедения рассматриваются с использованием представления о дислокациях, их зарождении, движении, взаимодействии и распределении в кристаллах [2].
В материаловедении важной задачей считается выяснение различных механизмов протекания деформационных процессов, в частности механизмов диссипации энергий и нахождение новых удачных способов воздействия на структуру кристаллов, обеспечивающих неразрушающий характер их структурообразования [3].
Нами предложен новый способ структуроформиро-вания и исследования механических характеристик полупроводниковых материалов, отличающийся от традиционных тем, что процесс пластической деформации кристалла сопровождается одновременным прохождением по нему электрического тока значительной плотности. В предлагаемой работе эксперимент проводился в специально сконструированной деформирующей машине прессового типа с сапфировыми штоками и опорами, обеспечивающей режим «мягкого» нагружения. Такая методика «мягкого» нагружения, в отличие от «жесткой», позволяет устранить отрицательную обратную связь между машиной и образцом. При «жесткой» методике нагружения инициированное внешним воздействием разупрочнение приводит к уменьшению нагрузки на образец и приостановке пластического течения, «замаскировывая» эффект разупрочнения.
Деформацию производили двумя способами: в условиях внешнего нагрева образца (термопластическая деформация - ТПД), в условиях прохождения электрического тока через образец (электропластическая деформация - ЭПД) [4].
Объектом исследования были монокристаллы п-кремния с удельным сопротивлением р = 18 Ом-см при комнатной температуре. Образцы брались двух типоразмеров - 17x8x5 мм и 15x8x5 мм - двух ориентаций. Длинные ребра совпадали с направлениями [111] и [110] (табл. 1), которые одновременно служили и направлениями сжатия.
Постоянное электрическое поле и ток для нагрева образца обеспечивал мощный источник напряжения. Деформация осуществлялась одноосным сжатием в вакууме при Т = 750 °С в режиме динамического нагружения.
На рис. 1 (кривые 1, 2, 3) приведены зависимости напряжение-деформация а(є) для трех образцов моно-кристаллического кремния п-типа проводимости, при двух различных режимах их реализации - ориентационном и типоразмерном. Следует заметить, что кривые по ТПД-способу не приведены ввиду отсутствия заметных величин деформации при примененных для ЭПД-способа деформационных параметрах воздействия. Как видно по ходу кривых (1-3) рис. 1, наблюдаются заметные изменения таких, казалось бы, грубых параметров кристаллической решетки, как прочность и пластичность. Изменяется и упругая область с изменением и высоты, и ориентации образцов. Если упругая
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
Рис. 1. Зависимость «сдвиговое напряжение - деформация а(е)» для образцов монокристаллического кремния, деформированных в режимах: 1. И = 17 - [110]; 2. И = 15 - [110]; 3. И = 15 - [111]
l004
область первого образца с к =17 мм доходит до а = 1,3 кг/мм2, то у образца с к = 15 мм она составляет а = 0,2 кг/мм2.
Для достижения общей величины пластической деформации є = 0,5% для первого образца понадобилось усилие а = 3,8 кг/мм2, тогда как для второго а = = 1,75 кг/мм2, а для третьего а = 0,83 кг/мм2. Сравнение хода кривых трех образцов показывает, что заметное различие наблюдается и в коэффициентах упрочнения (у), и в скоростях деформирования (є), и в общей величине достигнутой деформации (є).
Следует подчеркнуть, что на кривых зависимости а(є) нет заметной ступенчатой прерывистости протекания процесса. Изменение коэффициента упрочнения, судя по кривым (1-3) рис. 1, на различных участках образца колеблется незначительно, а между собой на полпорядка. Анализируя ход кривых (1-3) зависимости а(є) рис. 2, замечаем проявление ступенчато-стадийного характера и, как следствие, различие в скоростях деформирования на этих участках, доходящее до одного порядка на одном образце.
Все вычисленные по кривым (1-3) рис. 1, 2 деформационные параметры приведены в табл. 1. Одним из ярких проявлений преимущества нового способа пластического деформирования заключается в том, что значительно облегчились условия реализации процесса структуроформирования.
Отличительными и преимущественными особенностями нового подхода деформирования являются появление возможности значительного понижения основных параметров внешнего воздействия на кристалл: стартового напряжения, температуры и времени деформирования. Спектр проявлений свойств структур в неравновесных условиях значительно шире, чем в равновесных, особенно при синергетическом (многопараметрическом) воздействии на деформационный процесс. Полученные нами результаты носят качественный характер и не позволяют на данном этапе произвести прямое количественное сопоставление теории и эксперимента. Допуская, что дислокации являются энерге-
тически пульсирующими дефектами, важно реализовать механофлуктуационную (низкотемпературную) часть деформации, где преобладает чисто дислокационный вклад в отличие от термофлуктуационной. Поэтому имеется значительная анизотропия пластических свойств по различным кристаллографическим направлениям. Наибольшая пластичность наблюдается в направлении [110] (табл. 1).
Кроме этого, если в процессе традиционной термопластической деформации (ТПД) полупроводников в стационарном температурном поле электроннодислокационные взаимодействия присутствуют как независимые факторы, то при электропластическом способе деформирования (ЭПД) имеется возможность целенаправленного внешнего воздействия на эти факторы. В этом случае электронный газ из пассивной и тормозящей среды превращается в среду, имеющую направленный дрейф, и поэтому ускоряет движение и взаимодействие дислокаций.
Отличие нового подхода в обработке кристаллов от традиционно применявшихся ранее состоит в том, что в ЭПД-способе все структурные носители перестраиваются в динамические потоки и силы определенного направления. В электрическом поле на дефекты Действуют две силы - механическая и электрическая, и
| — П-ЙІ 1 Б п-5 7 —П-ЙІ 13 I
Рис. 2. Зависимость величины деформация є(1) в режимах: 1. к = 17 - [110]; 2. к = 15 - [110]; 3. к = 15 - [111]
Таблица 1
Деформационные параметры, вычисленные по рис. 1, 2 (кр. 1-3)
а Способ деформации Температура деформации Т, °С Ориентация по оси сжатия 2м 2 и к О е К си Скорость нагружения V, г/с Время деформирования 1:.сек Коэффициент уп-ния у=ііа/ііє Скорость деформирования по участкам є = (іє/іИ, с-1 Величина деформации є, %
ц за р б о % режим
динамический динамический
1 ІЇЛЄ 750 [III] 4 100 1600 5 4 ^ С? 1) 4,4-10-6 2) 7,6-10-6 0,56
2 ЇЙІЄ 750 [110] 2,5 80 1300 1) 14 2) 1,5 3) 2 1) 8,410-6 2) 2,5-10-5 3) 5-10-6 0,9
3 Д с т 750 [110] 2,5 80 1300 1) 1,2 2) 0,8 1) 1,038 10-5 2) 4,5410-5 2,5
высота потенциального барьера оказывается пониженной. Структурные носители, приобретая направленное движение, могут влиять на характер движения и взаимодействия всех участников процесса. В результате таких обменных взаимодействий изменяется динамика скольжения и деформационные характеристические параметры, которые приведены в табл. 1.
При применении новой технологии обработки кристаллов, возможно, структура испытывает сложную эволюцию, зависящую от многих факторов, включая и эволюцию самих дефектов. Предложенная новая технология с применением электростимулированной обработки кристаллов позволит обогатить их физические свойства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баранов Ю.В, Троицкий О.А, Аврамов Ю.С, Шляпин А.Д. Физические основы электроимпульсной и электропластической обработок и новые материалы. М.: МГИУ, 2001. 850 с.
2. Малыгин Г.А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов // УФН. Т. 169. № 9. С. 979-1008.
3. Влиев Р.З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 271 с.
4. Алиев М.А, Селезнев В.В. Электропластический способ деформации полупроводниковых кристаллов. Препринт ИФ ДНЦ РАН. Махачкала, 1989. 6 с.
Поступила в редакцию l5 апреля 20l0 г.
Aliyev M.A., Chartaev H.S. The strength and plasticity of crystals in conditions of external electric influences
A new electric stimulated method of treatment of crystals with their plastic deformation, which consists in passing a constant electric current of high density on the deformed specimen, is used. Crystal structure is better modified with additional order parameters.
Key words: appliances plasticity; deformation; hardening; strain rate; intermittent flow; structure formation.
