CC BY
27
УДК 539.2:538.6
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ИМПУЛЬСА ОДНООСНОГО СЖАТИЯ НА подвижность ДИСЛОКАЦИЙ В КРИСТАЛЛАХ NaCI В ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ © М.В. Колдаева, Е.В. Даринская, В.И. Альшиц
Россия, Москва, Институт кристаллографии РАН
Koldaeva M.V., Darinskaya E.V., Alshiz V I. The influence of mechanical impulse form on the dislocation mobility in NaCI crystals under the combined action of magnetic field and mechanical loading is studied. Experimental data are obtained for the loading by triangular and trapeziform pulses of various amplitude under static magnetic field and without it. In the absence of a magnetic field the mean dislocation path proves to be almost insensitive to the mechanical impulse form. An increase of the mean dislocation paths under the magnetic field is much larger in the case of trapeziform pulses then in the case of triangular form loading pulses.
Движение дислокаций в немагнитных кристаллах без приложения внешней механической нагрузки в постоянном магнитном поле, называемое магнитопла-стичсским эффектом, хорошо изучено на различных щелочногалоидных кристаллах (№С1, ир, СбО и металлах @п, А1). Предложена физическая модель этого явления, согласно которой дислокации в магнитном поле открепляются от локальных стопоров, парамагнитных примесных центров с последующей релаксацией дислокационной структуры, а движущей силой служат дальнодействующие внутренние напряжения [I - 5]. Изучено также влияние электрического поля на подвижность дислокаций в магнитном поле, имеющее силовую природу [6]. Кроме того, получены данные [7, 8], свидетельствующие об изменении характера кривых деформации в щелочногалоидных кристаллах в магнитном поле, что является макропроявлением магнитопластического эффекта.
Существует достаточное количество работ, посвященных изучению движения дислокаций на разных стадиях механического нагружения. В работах [9. 10] показано, что величина пробега индивидуальных дислокаций практически не меняется на плато импульса нагрузки, а их движение происходит преимущественно на фронте нарастания. В работе [11] рассмотрено влияние механического нагружения на микропластичность кристаллов №С1 после магнитной обработки.
Данная работа посвящена изучению влияния магнитного поля на подвижность индивидуальных дислокаций в условиях приложения к кристаллу внешней механической нагрузки. Работа дает качественное представление о влиянии импульса механической нагрузки разных форм на подвижность индивидуальных дислокаций в постоянном магнитном поле.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Исследование проводилось на образцах №С1 производства ЛОМО, предел текучести 500 кПа (50 г/мм2), концентрация примесей 10'* вес.%. Образцы
размером около 4x4x10 мм3, выколотые по плоскостям спайности, подвергались отжигу и химической полировке. Для наблюдения поведения индивидуальных дислокаций использовался метод троекратного избирательного травления. В работе изучались краевые дислокации.
Образец со свежевведенными дислокациями помещался в созданную установку одноосного механического сжатия в магнитном поле [12]. Схема эксперимента представлена на рис. 1. Нагрузка Г, прилагаемая к образцу 1 вдоль кристаллографического направления [001], измерялась с помощью пьезодатчика 2, расположенного непосредственно под образцом. Точность измерения силы около 10 %, минимальная сила, которая может быть приложена и измерена, составляет 5x10'2 Н (5 гс) [12]. Перед началом эксперимента осуществлялся легкий ~ 35 кПа (3,5 г/мм2) поджим образца, позволяющий выбрать люфты установки и сгладить несовершенства контактных поверхностей образца. Для
Рис. 1. Упрощенная схема эксперимента. 1 - образец; 2 - пьезодатчик.
0,0 0,1 0,2 ст. МПа
Рис. 2. Зависимость среднестатистической длины пробега краевых дислокаций в кристаллах ЫаС1, нормированной на общую плотность дислокаций, от амплитуды механической нагрузки: I - для треугольной формы импульса сжатия (фронт нарастания 0,1 с. спад 1 с); 2 - для трапецеидальной формы (фронт нарастания 0,1 с, плато постоянной нагрузки 300 с, спад 1 с).
Рис. 3. Зависимость среднестатистической длины пробега краевых дислокаций в кристаллах ЫаС1, нормированной на общую плотность дислокаций, от амплитуды механической нагрузки: 1 - для треугольной формы импульса сжатия (фронт нарастания 0,1 с, спад 1 с); 2 - для трапецеидальной формы (фронт нарастания 0,1 с, плато постоянной нагрузки 300 с, спад 1 с), при одновременном действии постоянного магнитного поля В = 0,3 Тл в течение 5 мин.
Рис. 4. Рождение дислокаций в границе блока кристалла №С1 при совместном воздействии механической нагрузки и магнитного поля в результате подхода к границе дислокационных рядов.
того, чтобы избежать паразитных пробегов дислока- пг
ций, связанных с резким изменением магнитного пото- д£
ка [13], использовались медленные (~ 20 с) включение н£
и выключение магнитного поля, не влияющие на подвижность дислокаций.
Известно, что пробег дислокаций в магнитном поле [13] зависит от взаимной ориентации дислокации ее вектора Бюргерса Ь и вектора магнитной индукции В, достигая максимального значения для дислокаций, перпендикулярных В. Дислокации, параллельные В, не 2 чувствительны к магнитному полю, поэтому есть возможность на одном образце наблюдать движение дис- 3
локаций при совместном воздействии магнитного поля и механической нагрузки (В Л Ь) и при действии только механической нагрузки (В 11 Ц. Контрольные эксперименты показали, что пробеги дислокаций, для которых В11 такие же, как при деформации без магнитного поля. Для механического нагружения в данной работе использовались механические импульсы двух типов: треугольные с фронтом нарастания 0,1 с и спадом 1 с; I 6 трапецеидальные с теми же временами фронта и спада и с длительностью плато постоянной нагрузки 300 с. Каждый раз образцы находились в статическом магнитном поле электромагнита 0,3 Тл в течение 5 мин.
На рис. 2 представлена зависимость среднестатистической длины пробега индивидуальных дислокаций, нормированная на общую плотность дислокаций (1у[р) от амплитуды механической нагрузки а в отсутствие магнитного поля. Видно, что наличие плато постоянной нагрузки практически не влияет на величину пробега индивидуальных дислокаций, то есть можно предположить, что весь путь дислокации проходят во время изменения нагрузки.
Кривые на рис. 3 получены при совместном действии механических нагрузок таких же, как на рис. 2 и магнитного поля, причем в случае треугольного импульса поле не выключалось после разгрузки образца.
При воздействии треугольного импульса сжатия длина пробега равна сумме пробега при той же нагрузке без поля и пробега в поле без механических воздействий. В контрольных экспериментах, где поле выключалось сразу после окончания механического воздействия, оно не вызывало изменения среднестатистической длины пробега.
При воздействии на кристалл механическим импульсом трапецеидальной формы движение дислокаций в магнитном поле происходит в условиях дополнительно действующей внешней силы (кривая 2 на рис. 3). Такие условия способствуют сильному увеличению подвижности индивидуальных дислокаций.
Можно отметить некоторые особенности движения при внешней механической нагрузке в условиях магнитопластического эффекта: прохождение дислокаций сквозь поперечные полосы скольжения; изменение направления движения дислокаций на противоположное изначальному направлению; инициирование рождения дислокаций в границах блоков (рис. 4).
Из сравнения кривых на рис. 2 и рис. 3 следует, что дислокации на фронте нарастания нагрузки выходят на стартовые позиции, где и остаются в отсутствие магнитного поля. Внешней силы на плато, по-видимому, недостаточно для продолжения их движения. При одновременном же действии механической нагрузки и магнитного поля они могут открепляться от локальных
20 мкм
парамагнитных стопоров и продолжать движение под действием той же силы в поле меняющихся внутренних напряжений.
ЛИТЕРАТУРА
1 Алыниц В.И.. Даринская Е.В., Псрскашна Т.М , У рус опекая А. А О движении дислокаций в кристаллах под действием постоянного магнитного поли // ФТТ. 1987. Т. 29 № 2. С. 467-471.
2 А.1шич В.И., Дорийская Е.В., Петржик НА. «In situ» изучение магнитопластического эффекта в кристаллах NaCl методом непрерывного травления //ФТТ. 1991. Т 33. № 10. С. 3001-3010.
3. А.1шиц В.И.. Даринская ЕВ.. Петр.ж-ик Е.А Магнитопластиче-скнй эффект в кристаллах Csl и LiF // ФТТ. 1993. Т. 35. № 2. С 320.
4. A.ibuwif В.И., Даринская Е.В., Петржик Е.А. Магнитопластиче-ский эффект в монокристаллах алюминия // ФТТ. 1992. Т. 34. № 1. С. 155-158.
5. Альшиц В.И., Даринская Е.В.. Казакова O.JL. Михина Е.Ю., Петржик Е.А. Магнитопластический эффект и спин-решеточная релаксация в системе дислокация - парамагнитный центр // Письма вЖЭТФ. 1996. Т. 63. № 8. С. 628-633.
6. А.1шиц В.И.. Даринская Е.В., Михина Е.Ю.. Петржик Е.А. Влияние электрического поля на подвижность дислокаций в магнитном поле // ФТТ 1996. Т. 38 № 8 С. 2426-2430.
7. Урусовская А.А.. Смирнов А.Е.. Ееккауер Н.Н. Макроскопический магнитопластический эффект в кристаллах ЫаС1 и ЫР. И Изв. РАН. Сер физическая. 1997. Т. 61. № 5. С. 937-940
8. Урусовская А.А.. Альшиц В.И.. Смирнов А.Е., Беккауер Н.Н. О влиянии магнитного поля на предел текучести и кинетику макропластичности кристаллов 1лР // Письма в ЖЭТФ 1997 Т. 65. №6. С. 470-474.
9 Никифоров А.В.. Швецова В.А., Клявин О.В., Лихачев В.А. О пробегах дислокаций в кристаллах №С1 // ФТТ. 1976. Т. 18 № 7. С. 3152.
10 Ермолаев Г. Н., Ниненко С.И., Урусовская А.А. Характер движения дислокаций в КС1 на различных этапах импульсного нагружения // ФТТ. 1989. Т. 31. №2. С. 242-244.
11 Головин Ю.И., Моргунов Р.Б. Влияние постоянного магнитного поля на подвижность дислокаций в монокристаллах №С1 // ФТТ. 1995. Т. 37. №5. С. 1352-1362.
12. Коядаева М.В.. Даринская Е.В., Сытин В.Н. Установка для одноосного сжатия в постоянном магнитном поле // Приборы и Техника Эксперимента. 1998. №3. С. 151-154.
13 Алыниц В.И., Даринская Е В.. Петржик Е.А Микропластичность диамагнитных кристаллов в постоянном магнитном поле // Изв вузов. Черная металлургия. 1990. № 10. С. 85-88.
БЛАГОДАРНОСТИ: Авторы выражают благодарность
А.А. Урусовской за ценные советы и консультации, В.П. Киселю за помощь в подготовке образцов. Работа выполнена при
поддержке РФФИ, фант № 97-02-16327.
УДК 539.374
ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ И ПОВРЕЖДАЕМОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ © Д.Л. Быков
Россия, Королев Московской области. ЦНИИ машиностроения
Bykov D.L. Problems of strength and damage of constructions made from filled polymers. A method of the assessment of strength and damage of constructions made from high-filled isotropic polymers is presented.The implementation of the endochronic theory of the viscoelasticity allows the dependence of mechanical properties of the materials on equivalent stresses or strains and on a damage parameter to be accounted for and active loading and unloading processes to be distinguished. The specific dissipation is considered as a measure of damage. Extensions of the theory enable flaws, complex loading, and influence of the temperature to be taken into account. The results of performed experiments confirm the applicability of the method.
Излагается метод оценки прочности и повреждаемости конструкций из высоконаполненных изотропных полимерных материалов. Используется эндохронно нелинейная теория вязкоупругости, учитывающая зависимость свойств материала от эквивалентных напряжений или деформаций, параметра поврежденности в виде удельной рассеянной энергии и различие процессов активного нагружения и разгрузки. Обобщения теории позволяют учитывать трещиновидные дефекты, сложное нагружение и влияние температуры. Указаны эксперименты, подтверждающие практическую применимость предлагаемого метода.
При действии нагрузок разрушению материала предшествуют обратимые и необратимые изменения его структуры. Фиксированные процессы нагружения позволяют находить разрушающие напряжения и деформации, однако при произвольных нагружениях предельные напряжения и деформации зависят от конкретных изменений структуры. Эксперименты показывают, что при значительных изменениях структуры
меняются все характеристики материалов, включая предельные. Наиболее заметно это у вязких материалов, к числу которых относятся полимерные.
Будем называть повреждением материала необратимые изменения его структуры. Уровень поврежденности определяется мерой или параметром поврежденности. Для необратимых процессов, не связанных с тепло- и массопереносом, примем в качестве параметра поврежденности наполненных полимерных материалов величину удельной рассеянной энергии /С. Этот
параметр является скалярным, но с его помощью можно при необходимости учитывать приближенно также векторные или тензорные свойства поврежденности [1].
Уравнения состояния для нелинейно вязкоупругих материалов и кинетическое уравнение, определяющее А,, являются связанными. Эта система может быть записана в виде
