Влияние переменного и постоянного электрических полей на пластическое течение и подвижность дислокаций в кристаллах NaCl Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.37:539.4.01 ;548 4

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ПЛАСТИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ И ПОДВИЖНОСТЬ ДИСЛОКАЦИЙ

В КРИСТАЛЛАХ N30

© Ю.И. Головин, В.Е. Иванов, А.В. Тютюнник

Golovin Y.I.. Ivanov V.E., Tiutiunnik A.V. The Influence Of Permanent And Alternating Electric Fields On Plastic Flow And Dislocation Mobility In NaCI Single Crystals. Comparative investigations of the influence of permanent and alternating electric fields on both dislocation mobility in NaCI single crystals under a square mechanical compression pulse and plastic flow in a single slip under a constant-stress-rate

test are performed.

1. Влияние постоянного электрического ПОЛЯ (ЭП) на пластические свойства кристаллов типа NaCI изучено достаточно подробно [1 - 4]. Недавние эксперименты показали, что и переменное ЭП влияет на состояние дефектов как в макропластических тестах, так и в экспериментах с индивидуальными дислокациями [5 - 7]. А priori трудно судить, постоянное или переменное ЭП будет результативнее действовать на пластичность в равных экспериментальных условиях. С одной стороны, действие знакопеременной нагрузки, как известно, более эффективно, чем действие равной по величине статической. С другой стороны, в переменном ЭП роль таких механизмов, как силовое увлечение заряженных дислокаций в направлении вектора поля, объемная поляризация кристалла, ориентация стопоров, обладающих дипольным моментом, и других может быть значительно подавлена. В связи с этим есть основания ожидать, что в некоторых случаях действие переменного ЭП может существенно отличаться от действия постоянного. Кроме того, при исследованиях магнитопластических эффектов в этих кристаллах появляются новые вопросы в отношении вклада ЭП в подвижность дислокаций. Они связаны как с возможным влиянием вихревого ЭП при включении и выключении магнитного поля (МП), так и с действием одновременно накладываемых на кристалл ЭП и МП от независимых источников, что, по данным [8|, приводит к резкому разупрочнению кристалла.

Цель работы заключалась в сравнительном изучении электропластических эффектов, возникающих в монокристаллах NaCI в одинаковых условиях под действием постоянного и переменного ЭП.

2. В работе использовали две методики - измерение пробегов индивидуальных дислокаций

и анализ кривой деформирования при активном нагружении.

Пробеги индивидуальных дислокаций под действием калиброванного прямоугольного импульса механической нагрузки (длительность 1 с, фронт 10 мс, амплитуда 2 МПа) изучали методом двойного избирательного травления. В качестве меры влияния ЭП принимали изменение пробегов дислокаций Д£ = I - Ь0, где

I - пробеги дислокаций под действием механической нагрузки и ЭП одновременно, Ь0 пробеги дислокаций в отсутствие ЭП. Пробеги определяли усреднением 100 - 150 индивидуальных измерений. Значение напряженности постоянного ЭП Е= и действующее значение напряженности переменного ЭП £. были в наших экспериментах одинаковы и могли варьироваться от 0 до 5 кВ/см.

В экспериментах с активным деформированием исследовали скорость пластического течения под действием линейно нарастающих во времени напряжений сжатия вдоль [001]. Относительную пластическую деформацию образца е регистрировали с помощью индукционного датчика смещения. Для организации одиночного скольжения на противоположных боковых гранях образца сполировывали канавки,

ориентированные вдоль [0 1 1]. После организации условий для одиночного скольжения все образцы отжигали при температуре 700 °С в течение 4 суток; часть образцов закаливали от 500 °С. В процессе сжатия, занимающего от 2102 до 4103 с в зависимости от скорости роста нагрузки, периодически (не менее 10 раз за время одного нагружения) прикладывали переменное ЭП (фронт -0,1 с) частотой 100 Гц или постоянное ЭП (фронт -0,5 с), причем £. = Е= = 2,0 кВ/см. За меру влияния ЭП принимали отношение изменения средней скорости течения дё = ёе - ёо за время действия поля к средней скорости течения ёоза время -10 с перед включением ЭП (ёЕ - средняя относительная скорость пластического течения в ЭП).

3. Из рис. 1 следует, что полевые зависимости пробегов дислокаций в переменном и постоянном ЭП существенно отличаются. Это выражается. во-первых, в разнице пороговых значений напряженностей в переменном и постоянном ЭП, во-вторых, в разнице средних наклонов кривых дЦЕ.) и ДЦЕ=). В результате, при Е <, 3 кВ/см более эффективным оказывается действие переменного ЭП, а при Е > 4 кВ/см - постоянного.

В макродеформировании (рис. 2) результатом отдельного включения ЭП (рис. 2, I) мог быть любой из трех возможных исходов: дё/ёо<1 -упрочнение, Де / ёо = 1 - нет эффекта,

дё / ёо > 1 - разупрочнение. Однако усреднение всего по 4 соседним индивидуальным исходам давало только разупрочнение (рис. 2, 2), которое имело, как в постоянном (рис. 2а), так и в переменном (рис. 26) ЭП, характерный максимум после предела текучести. Сам эффект

упрочнения наблюдался только в конце стадии легкого скольжения; на второй стадии

упрочнения его никогда не регистрировали. На второй стадии, наряду с упрочнением, как в переменном, так и в постоянном ЭП вновь появлялся эффект разупрочнения.

4. Принципиальная возможность влияния переменного ЭП на вид кривой деформирования ионных кристаллов известна давно [2], а действие постоянного ЭП всесторонне изучалось в [2 - 4]. Однако некоторые экспериментальные результаты не удается интерпретировать в рамках рассмотренных в [1 - 4] механизмов. Закономерности эффектов, возникающих под действием поля в экспериментах с активным нагружением [5], “память” точечных дефектов и дислокаций к предшествующей обработке образца в слабом (Е ~ 1 кВ/см) ЭП [6], независимость величин пробегов дислокаций от ориентации вектора поля [7] резко сокращают

40

AL, мкм

20

-1

i-2

Б, кВ/см

Рис. 1. Зависимость пробегов дислокаций от напряженности переменного (1) и постоянного (2) ЭП. NaCI + 0,01 мол.% Са (закален), Е\ | [010], ст| | [001 ].

число механизмов, пригодных для обсуждения и указывают на необходимость учета новых степеней свободы дефектов, возбуждаемых ЭП.

Как видно из рис. 1, влияние переменного ЭП начинает проявляться при меньших значениях Е. Однако поскольку наклон кривой ДЦ£=) больше, то при Е > 4 кВ/см действие постоянного ЭП становится эффективнее. Это свидетельствует о том, что в переменном ЭП механизмы влияния несколько иные; их специ-

0,3

0,2

0,1

0,0

-0,1

о.з

0,2

0,1

+Аё/ёа

а)

» - ш *

->Мх-

-XJ---X--X-----к—X-

о.о

-0.1

0,0 0,4 0,8 1,2

х

X

X

-Аё/ё0

+Аё/ё0

16 е.%

х -1 ж -2

6)

<

-\Л-* +----------+--------+ -I-H

0,0 0,4

0.8

1.2

1-6 е.%

♦ -1 . -2

-Аё/ё0

Рис. 2. Зависимость относительной скорости течения образца Дё / ёо в переменном (а) и постоянном (б) ЭП от величины его пластической деформации е. 1 - результаты индивидуальных измерений,

2 - результаты усреднения по 4 индивидуальным измерениям. NaCI + 0,03 мол.% Са (закален),

Е\ I [0 1 1), < ё > * 310 s с'1, eY = 0,3 - 0,4%.

фика заключается, по-видимому, в том, что оно изменяет более условия старта (уменьшает среднее время ожидания на стопоре), нежели условия их движения, тогда как постоянное ЭП - наоборот, в большей степени влияет на условия движения дислокаций, т.е. уменьшает вероятность их захвата на препятствии. Тогда особенность влияния переменного ЭП представляется в том, что оно стимулирует более эффективные механизмы открепления дислокаций от точечных препятствий. Причем эти механизмы, по всей видимости, затрагиваются постоянным ЭП в меньшей степени. В таком случае они должны определяться именно фактом переменности поля, о котором дополнительно известно, что он перестает работать в полях с частотами > 1 кГц |5]. Возможно, это свидетельствует о протекании в поле диффузионных процессов с характерными временами 10-' - 10° с.

Механизмы разупрочнения в микроэкспериментах, вероятно, как-то связаны с обнаруженными в травлении. Если это так, то можно предположить, что, во-первых, с ростом механических напряжений характерные времена эффекта разупрочнения резко уменьшаются, во-вторых, эффект упрочнения является спецификой исключительно макроэксперимента (в травлении упрочнение никогда не наблюдалось). Первое предположение обсуждалось в [9].

Для объяснения упрочнения необходимо предположить, что ЭП разупрочняет образец не только в первичных, но и во вторичных системах скольжения. Известно, что на II стадии упрочнения скольжение переходит во вторичные системы, дислокации которых являются эффективными стопорами для развития первичной системы. С этих позиций упрочнение можно интерпретировать как результат полевого стимулирования вторичного скольжения. В под-

тверждение этого предположения служит факт необратимости упрочнения: наложение ЭП в конце I стадии приводило к упрочнению, не исчезающему после выключения ЭП, начиналась II стадия упрочнения. Включение ЭП на II стадии вновь приводило к разупрочнению. Через некоторое время (не зависящее от момента выключения ЭП) скорость ёЕ приближалась к ёо. В этом случае ЭП, по-видимому, стимулировало возвращение скольжения в первичную систему.

По всей видимости, решение проблемы выявления микромеханизмов такого действия переменного ЭП упирается в вопрос большей эффективности знакопеременной нагрузки деформирования и разрушения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тяпунчна Н.А., Белозерова Э.П. // УФН. 1988. Т. 156. N° 4. С. 683.

2. Brissenden S.,Gardner J.W., Illingworth J., Kovacevic I., Whitworth R.W. // Phys. Stat. Sol. (a). 1979. V. 51. P. 521.

3. Зуев Л.Б. Физика электропластичности щелочно-галоидных кристаллов. Новосибирск: Наука, 1990. 120 с.

4. Куличенко А.Н., Смирнов Б.И. // ФТТ. 1981. Т. 23. № 4.

С. 1029; 1983. Т. 25. № 5. С. 1523.

5. Головин Ю.И., Тютюнник А.В. // Вести. ТГУ. Сер. Естеств.

и технич. науки. Тамбов, 1997. Т. 2. Вып. 1. С. 97.

6. Головин Ю.И., Тютюнник. А.В. //Кристаллография. 1996. Т. 41. № 6. С. 1077.

7. Головин Ю.И., Тютюнник А.В. // Изв. РАН. 1996. Т. 60. № 9. С. 179.

8. Альшиц В.И., Даринская Е.В., Михина Е.Ю., Петржик Е.А.

И ФТТ. 1996. Т. 38. N° 8. С. 2426.

9. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Жуликов С.Е. // Изв. РАН.

1996. Т. 60. №9. С. 171.

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

Поступила в редакцию 1 сентября 1997 г.