Установка для дистанционного измерения упругих постоянных и внутреннего трения монокристаллов галогенидов щелочных металлов Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 247

1977

УСТАНОВКА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ УПРУГИХ ПОСТОЯННЫХ И ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГАЛОГЕНИДОВ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

А. А. БОТАКИ, И. Н. ГЫРБУ, А. В. ШАРКО

(Рекомендована к печати кафедрой общей физики ТПИ)

При изучении радиационного воздействия на механические свойства ионных кристаллов наибольшую ценность приобретают измерения, выполненные на образцах, находящихся непосредственно в зоне облучения.

Для измерения упругих постоянных и внутреннего трения монокристаллов галогенидов щелочных металлов, находящихся в зоне облучения, собрана установка, позволяющая оператору производить измерения на безопасном от зоны облучения расстоянии. Принцип работы установки основан на резонансном методе измерения упругих характери-

Рис. 1. Блок-схема установки для дистанционного измерения упругих постоянных и внутреннего трения монокристаллов галогенидов щелочных металлов: I — стабилизатор напряжения; II — гетеродинный волномер RFT-121; III — генератор ГЗ-ЗЗ; IV — осциллограф Cl-35; V — ламповый вольтметр B3-14; VI — двухсоставной кварцевый вибратор (а — кварцевый преобразователь, в — исследуемый образец)

стик твердых тел с помощью двухсоставного кварцевого вибратора [1]. Блок-схема этой установки приведена на рис. 1. Напряжение, снимаемое с генератора синусоидальных колебаний III типа ГЗ-ЗЗ, подается через коаксиальный кабель на пьезокварцевый преобразователь VI, возбуждающий ультразвуковые колебания в образце. Далее, сигнал с датчика поступает на осциллограф IV типа С-35, являющийся индикатором

резонанса. Изменяя частоту задающего генератора, постепенно добиваемся резона.нса системы пьезокварцевый преобразователь —образец. Напряжение на осциллографе, пропорционально току, проходящему через пьезопреобразователь, в момент резонанса и антирезонанса фиксируется ламповым вольтметром V-типа ВЗ-14. Измерение резонансной частоты вибратора осуществляется с помощью гетеродинного волномера II типа RFT-121. Пьезопреобразователь соединяется с измерительной установкой с помощью двух коаксиальных кабелей. При этом используются только центральные жилы кабелей, экранные части заземлены. Это значительно уменьшает емкость между проводами. Питание установки осуществляется стабилизированным напряжением переменного тока от сети 220 В.

Электрический контакт между пьезопреобразователем и коаксиальным кабелем осуществляется через специальные механические держатели, выполненные в виде цанг из пружинистой бронзы, которые укреплены на электроизоляционном ' основании из тефлона. Для уменьшения емкости между лепестками цанг последние располагались друг от друга на возможно большем расстоянии, и между ними помещался заземленный электростатический кран. На такой установке были выполнены измерения изменения внутреннего трения Q-1 и модуля Юнга £юо, предварительно деформированных монокристаллов NaCl в процессе облучения мягкими рентгеновскими лучами на установке УРС-55А с трубкой с медным антикатодом, а также измерения упругих констант монокристаллов NaCl, KCl, КВт при комнатной температуре.

Образцы для измерений модуля Юнга имели вид прямоугольных параллелепипедов с поперечным сечением 3X1 »5 мм и для измерений модуля сдвига 3X3 мм. Ориентация образцов по отношению к плоскостям скола определялась на большом инструментальном микроскопе, который давал погрешность в определении углов не более 10'. Для получения надежного акустического контакта между преобразователем и образцами в процессе измерений образцы приклеивались к преобразователю с помощью шеллака. Перед измерением осуществлялась подгонка резонансной частоты образца к резонансной частоте пьезокварца, для чего образец укорачивался по длине. При этом отклонение резонансной частоты двухсоставного вибратора от резонансной частоты образца не превышало 0,1% при измерении модуля сдвига и 0,7% при измерении модуля Юнга.

Кварцевые пьезопреобразователи, предназначенные для измерения модуля Юнга, имели при комнатной температуре собственные частоты продольных колебаний 73770 Гц и 84400 Гц. Для нахождения модуля сдвига использовались кварцевые пьезопреобразователи на крутильные колебания, выполненные в виде круглых стержней [2]. Собственные частоты этих пьезопреобразователей были 102800 Гц и 104770 Гц. Вычисление модулей Юнга и сдвига производилось по измеренным значениям резонансной частоты составного вибратора по следующим формулам [3]:

о_4р/2/2 4,77 Р/2/2

где р и / — плотность и длина испытуемого образца, /—его резонансная частота, определяемая из выражения / = /1 + — (/1— /3), где

тх

— резонансная частота составного вибратора /2 — резонансная частота пьезопреобразователя, т — его масса, т1 — масса образца, п — число полуволн, укладывающихся на образце. Для полуволнового

вибратора п = 1. Расчет коэффициентов и постоянных упругости производился с помощью следующих уравнений [4]:

Си = 0

100

5

1 ^ _ 1 о __ 2 „ 544

> ^и — ~ > — ^ ^и ~ >

44

С\\ С12 —

5И 5,

Бт Еш , С\\ + 2С12 —

5« + 25

12

И £1

10

где С*«— постоянные, а — коэффициенты упругости, Ет значения модулей Юнга в направлениях <100> и <110>.

Погрешность в определении резонансной частоты составного вибратора при измерениях гетеродинным волномером ИЕТ = 121 не превышала 0,1%, что позволило определить постоянные £110, £юо» Сюо, 5ц и с точностью порядка 0,5%. Результаты измерений костант упругости монокристаллов галогенидов щелочных металлов ЫаС1, КС1 и КВг, выполненные при комнатной температуре, а также значения скоростей распространения ультразвука в различных кристаллографических на-

21У

правлениях, найденные по формуле С= -, представлены в табл. 1.

п

Сопоставление полученных результатов с данными других авторов [5— 7], выполненными при комнатной температуре для тех же монокристаллов, показывает их хорошее соответствие. На рис. 2 представлены зави-

1

1

1 -\ * 2

X" •

М-- й' с

1

£,00 Л/с»2

иго

4.3/9

^ 3/8

4.317

Ь.3/6

♦.3/5

Рис. 2. Зависимость модуля Юнга и внутреннего трения предварительно деформированных монокристаллов №С1 от времени облучения мягкими рентгеновскими лучами

симости модуля Юнга £100 и внутреннего трения монокристаллов ЫаС1 от времени облучения образца мягкими рентгеновскими лучами на установке типа УРС-55А. Внутреннее трение в исследуемых монокристаллах определялось по> формуле [7]:

= пЛ + т^ ^ 2 /,-/, , /VI «(т+тг) V и/

где ир к иа — напряжения при резонансе и антирезонансе на клеммах осциллографа IV, т и тх—массы кварца и образца, /г = /р -}- (/а — /Р)Х

104

X-2--резонансная частота составного стержня, /а и /р — ча-

^р ^ а

стоты при антирезонансе и резонансе,

Таблица

Вещество Скорость pac-простр. звука, м/с Постоянные упругости 10"11 дин\см2 Коэффициенты упругости 10» см2 ¡дин Плотность, г ¡см3

С(ш Сто С/100 Си с12 с4, Sn — S12 Su

NaCl 4450 4014 2225 4.823 1,3835 1,273 0,2338 0,0516 1,7859 2,161

KBr 3504 2433 1274 3,511 0,5732 0,508 0,2942 0,04135 1,9638 2,747

KCl 4348 3144 1698 4,027 0,896 0,620 0,2673 0,04865 1,609 1,986

б и 61 — логарифмические декременты затухания соответственно пьезопреобразователя и исследуемого образца. Измерения сначала проводят только на пьезопреобразователе (/П1 = 0) и затем на составном стержне. Это позволяет найти логарифмический декремент затухания образца бь

Полученные зависимости находятся в хорошем соответствии с аналогичными измерениями Гордона и Новика [9].

ЛИТЕРАТУРА

1. Физическая акустика. Под ред. У. Мэзона. Т. 3, часть А. М., «Мир», 1963, 2,. Л. Б е р г м а н . Ультразвук. М., ИЛ., 1956.

3. А. В. С т е п а и о в, И. М. Э й д у с . ЖЭТФ, 29, 699, Щ55.

4. Упругость и неупругость металлов. Под ред. С. В. Вонсовского. М., ИЛ., 196|4.

5. S. Н а u ss ü h 1. Zeitschrift für Physik, 159, 223—29, 1960.

6. Г. X а н т и н г т о н. УФН, 74, 3, 1861.

7. А. В. Ш а р к о, А. А. Б о т а к и. Изв. вузов. «Физика», 6, |1970.

8. В. С. Постников. Внутреннее трение в металлах. «Металлургия», 1969.

9. G о г d о n R. В., N о w i с к А. S. Acta Met., 4, 514, 1956.