Термодинамические и кинетические аспекты разупрочнения ионных кристаллов импульсным магггнитным полем Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК .4; 537.3; 669.046

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И КИНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗУПРОЧНЕНИЯ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ ИМПУЛЬСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

© Ю.И. Головин, Р.Б. Моргунов, В.Е. Иванов

Golovin Y.I., Morgunov R.B., Ivanov V.E. Thermodynamical And Kinetical Aspects Of Ionic Crystals Weakening In A Pulsed Magnetic Field. The influence of a short (10'2 s) impulse of a magnetic field (B = 7 T) on the ionic crystals plastic flow is investigated. The stages of relaxation processes, stimulated by magnetic field are determined. The new results are discussed in terms of thermodynamics and kinetics of non-equilibrium systems.

В [1] было обнаружено увеличение скорости макропластического течения ионных кристаллов в постоянном магнитном поле (МП) с индукцией В < 1 Т. Установлено, что в постоянном МП коэффициент упрочнения кристаллов оставался уменьшенным по сравнению с его значением до включения поля в течение всего времени экспозиции кристалла в поле. Можно предполагать, что такой отклик кристалла на внешнее воздействие является индикатором нового, установившегося после включения поля, динамического равновесия в системе дислокаций и стопоров. Низкая индукция МП в [1] могла вызывать заметные изменения пластического течения только при включении поля на длительный (в масштабе продолжительности деформирования кристаллов) промежуток времени. Это не позволяло исследовать кинетику стимулированного полем перехода от одного режима квазистационарного пластического течения к другому.

Цель настоящей работы заключалась в создании экспериментальной ситуации, позволяющей выделить фазы магнитостимулированного разупрочнения кристалла и исследовать их по отдельности в зависимости от достигнутой пластической деформации и ее скорости, а также в обсуждении взаимосвязи термодинамических и кинетических аспектов пластического течения в условиях действия МП.

В работе исследовали монокристаллы КС1 и NaCI, содержавшие иновалентные примеси в суммарном количестве около 100 ppm. Образцы размерами 3x3x10 мм помещали в соленоид и подвергали одноосному сжатию вдоль [100] в нагружающем устройстве с кварцевыми штоками, позволяющими исключить возможность их втягивания в МП. Оно имело абсолютно мягкую силовую характеристику и задавало в образце механическое напряжение а, линейно зависящее от времени (а = kt). Величину к варьировали в таких пределах, что относительная деформация 6 достигала 1 % за время от 5 до 25 мин. Разрешение по смещению в канале

регистрации деформации образца составляло 0,25 мкм. Импульсы МП, направленного вдоль оси сжатия, создавали тиристорным генератором тока на разных участках кривой деформирования е(ст). Они имели форму полупериода синусоиды длительностью 10 мс и амплитудой 7 Т.

Типичная диаграмма е(а) приведена на рис. 1. Включения МП вызывали изменения кривой деформирования в кристаллах ЫаС1 и КС1 только после достижения предела текучести су = 1,5 МПа. Импульс МП вызывал сначала скачкообразный прирост деформации Ае, затем наблюдался участок заторможенного течения, на котором в течение времени т скорость изменения размеров образца была в 2 - 3 раза меньше, чем до включения поля (см. врезку рис. 1). В дальнейшем скорость пластического течения ск/Ш восстанавливалась к значению, наблюдавшемуся до включения МП. Таким образом, изменения пластического течения кристаллов, вызванные МП, могли быть охарактеризованы глубиной скачка деформации Ае и продолжительностью стадии заторможенного пластического течения т.

Величины скачков Ае, вызываемых импульсами МП, следовавшими через каждые 15 - 30 с, зависели от достигнутого уровня внешних напряжений (таким образом, и от деформации кристаллов) (рис. 1). Сразу после предела текучести наблюдался резкий рост Ае, а после достижения деформации е = 1,5%, Ае слабо уменьшалось. Такой же характер зависимости эффекта разупрочнения кристаллов от б наблюдали и в [1] при включениях постоянного магнитного поля длительностью более 20 с.

Варьирование паузы между двумя последующими импульсами поля Т позволило установить, что величина скачка во втором импульсе (скорректированная на величину изменения эффекта разупрочнения с деформацией) Д£2 зависит от Т (рис. 2). Величина Де2 была равна Ае! - скачку, вызываемому первым импульсом

яло

оль

1ТО-

ии-

ода

цой

на ния 1 и сти ала тем . на не-ше,

. В

ПИЯ

1Ю-

ом,

юв,

шы

ки-

[ас-

гль-

Ос,

НЭ-

ШИ

те-

сле

або

сти

пю-

саг-

ше-

;та-

шь-

ния

Де2

вна

сом

Рис. 1. Зависимости 1 - относительной деформации е и 2 - величины ее скачка Де, вызванного импульсом МП, от линейно нарастающей со временем механической нагрузки ст и времени нагружения Г для кристаллов КС1. На врезке - фрагмент зависимости е от / после включения импульса МП при е ~ 0,1 % .

зарождение новых дислокаций вызывает рост степени неравновесности, а с другой - их перемещение в процессе релаксации внутренних напряжений понижает ее. В образце, деформируемом с постоянной скоростью, поддерживается динамическое равновесие между этими процессами и, таким образом, система пребывает в стационарном состоянии. Поскольку слабое МП практически не изменяет энергию кристалла, оно может способствовать только понижению степени неравновесности за счет увеличения скорости релаксации. При длительностях импульса МП т*, превышающих постоянную времени т релаксации системы при данной скорости деформирования, имеются условия для создания нового стационарного состояния в течение всего периода пребывания кристалла в МП. Такой чисто термодинамический подход делает понятным, почему в постоянном МП скорость деформирования кристалла могла оставаться увеличенной и одинаковой при х* > 20 с в II].

Уменьшение х* до Г2 с в настоящей работе приводит к выполнению условия X* < X. Об этом свидетельствует зависимость отношения величин двух последовательных скачков деформации, вызванных одинаковыми импульсами МП, от паузы Т между ними (рис. 2). При Т > х = 5 с кристалл “забывал” о том, что он был подвергнут действию МП, т.е. за это время неравновесное состояние дефектов восстанавливалось под действием механических напряжений. Таким образом, МП понижало термодинамический потенциал системы, стимулируя ее выход из более высокого локального минимума в более низкий. Для эффективного действия последующих импульсов МП необходимо возвращение системы в возбужденное состояние, которое происходит за время х. Увеличение скорости нагружения кристалла в рамках этой общей схемы должно приводить к ускоренному восстановлению стационарного состояния кри-

Рис. 2. Зависимость величины скачка относительной деформации кристаллов КС1 при втором импульсе МП Де2 , нормированного на величину скачка, вызванного первым импульсом МП Де|, от времени Т между импульсами.

поля, если Т > х. При Т < х выполнялось неравенство Де2 < Деь т.е. чувствительность пластического течения кристалла к МП на стадии заторможенного течения, возникающая после скачка деформации Де, была пониженной. С уменьшением средней скорости деформирования (<&/*//) продолжительность перехода между этими двумя режимами деформирования увеличивалась. Таким образом, кристалл “запоминал” факт воздействия импульса МП, а по мере его дальнейшего деформирования эта “память” стиралась в течение времени х, заии-севшего от скорости деформирования.

Обсудим сначала полученные результаты с общих термодинамических позиций, без детализации механизма действия МП. Эффективное влияние МП на физические процессы в кристаллах в условиях, когда энергия, сообщаемая полем кристаллу в расчете на одну частицу, обладающую магнитным моментом порядка магнетона Бора, на 2 - 3 порядка ниже средней тепловой энергии, может быть реализовано только в термодинамически неравновесных системах. В процессе макропластического деформирования в отсутствие поля протекают два конкурирующих процесса. С одной стороны,

стаяла, что согласуется с полученными в работе результатами.

Обсуждаемая экспериментальная ситуация подобна той, которая возникает в процессе работы лазера (рис. 3). В наших условиях основным может считаться состояние с энергией кристалла в котором все дислокации закреплены на труднопреодолимых препятствиях и нечувствительны к МП. Ниже него располагается только состояние бездефектного кристалла с энергией Е0. Самый высокий уровень, на который происходит “механическая накачка”, характеризуется энергией Е2- Он соответствует состоянию кристалла со свежезарожденными дислокациями, не начавшими еще своего движения. В процессе их движения по профилю, создаваемому локальными стопорами, которые еще могут преодолеваться за время нагружения, энергия системы проходит через ряд локальных минимумов Очевидно, влияние МП на скорость пластического течения на этой стадии возможно как за счет облегченного зарождения дислокаций (понижения активационного барьера Е^а), так и за счет выхода из локальных минимумов Е{.

В этой схеме МП играет роль фотона, вызывающего более или менее скоррелированный переход системы в состояние с наименьшей энергией Е\. Мощность “излучаемого импульса” может быть охарактеризована дополнительным числом подвижных дислокаций, движущихся в данный промежуток времени.

В настоящее время вопрос о микромеханизмах влияния поля не решен окончательно, однако установлено, что магнитопластический эффект чувствителен к свету оптического диапазона [3] и наличию в кристалле парамагнитных дефектов [4]. Это свидетельствует о необходимости электронного, а не атомного уровня его

дислокациями. Ео - энергия бездефектного кристалла, Е\ - энергия кристалла с дислокациями, закрепленными на труднопреодолимых препятствиях, £2 - энергия кристалла со свежезарожденными дислокациями, Е2„ - энергия образования новой дислокации при смешении свежевведенных, Е* - локальные минимумы энергии, возникающие при упругом и обменном взаимодействии дислокаций с точечными дефектами, ^ - конфигурационная координата. Стрелками показано направление, в котором дислокации проходят через ряд состояний в нагружаемом кристалле.

рассмотрения. Как впервые отмечено в [5, 6], механизм влияния МП на состояние электронной подсистемы может быть аналогичным разработанному в теории магниточувствительных химических реакций [7]. В [7] показано, что в системах с неравновесной заселенностью частиц по спиновым состояниям возможно изменение скорости образования и конечного количества устойчивых молекул, связанных обменным взаимодействием, которое возникает в связи со снятием в МП спиновых запретов на переходы между синглетным и три-плетным состоянием в парах частиц. При этом слабое в энергетическом масштабе МП не влияет на активационные энергии барьеров, сдерживающих релаксацию £,, а изменяет лишь статистические веса реакций их преодолевания gh что и приводит к изменению скорости релаксации системы V = vQ I. gi ехр(-£Д7), (где /' - нумерует разные типы каналов релаксации).

Таким образом, созданные экспериментальные условия позволяют отслеживать временные характеристики магнитостимулированных процессов, протекающих в системе парамагнитных структурных дефектов при пластическом деформировании. Показано, что внешние механические напряжения и деформирование кристаллов способствуют восстановлению чувствительности кристалла к МП. Это происходит путем создания внешними напряжениями неравновесной заселенности электронных состояний в подсистеме структурных дефектов кристалла. Неравновесность такого типа является необходимым фактором для проявления магнитопластического эффекта.

Отметим, что и в недеформированных кристаллах в течение длительного времени может сохраняться неравновесная заселенность дефектов по энергиям, так как практически всегда в них имеются внутренние механические напряжения. Об этом свидетельствует возможность влияния поля на состояние дефектов в таких кристаллах, обнаруженная в [8].

ЛИТЕРАТУРА

1. Головин Ю.И., Моргунов Р. Б. // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 61. № 7. С. 583.

2. Доценко В.И., Ландау А.И., Пустовалов В.В. Современные проблемы низко-температурной пластичности материалов. Киев: Наукова Думка, 1987. 162 с.

3. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Жуликов С.Е., Бадыле-вич М.В., Дмитриевский А.А. // Вестн. ТГУ. Сер. Естеств. и технич. науки. Тамбов, 1997. Т. 2. Вып. 1. С. 101.

4. Альи/иц В.И., Даринская Е.В., Казакова О.Л. // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 62. № 4. С. 352.

5. Молоцкий М.И. //ФТТ. 1991. Т. 33. № 10. С. 3112.

6. Алыииц В.И., Даринская Е.В., Петржик Е.А. // ФТТ. 1991. Т. 33. № 10. С. 3001.

7. Бучаченко А.Л., Сагдеев Р.З., Салихов К.З. Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях. Новосибирск: Наука, 1978. 350 с.

8. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б. // Письма в ЖЭТФ. 1993. Т. 58. № 3. С. 189.

Работа выполнена при финансовой поддержке Госкомитета РФ по высшему образованию (проект № 95-0-7.1-58), а также Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 97- 02-16074).

Поступила в редакцию 30 мая 1997 г.