Введение к работе
Актуальность теш. Среди актуальних проблем современной физики твердого тела важное место отводится дальнейшему развитию и совершенствованию физической теории прочности и пластичности кристаллов; созданию на ее основе перспективных методов получеїшя технологических кристаллов с направленно изменяемыми свойствами; разработке новых катичественных методов неразрушающих испытаний в комплексе с исследованиями структуры и свойств дефектов кристаллической решетки. Интерес к этим проблемам во многом определяется тем, что в последнее время кристаллы находят все большее применение в различных областях науки и техники: опто- и акусто-электронике, вычислительной и лазерной технике, приборостроении, ядерных и космических исследованиях. С другой стороны, интересы теории, призванной объяснить многообразие вязкоупругах, пластических и прочностных свойств реальных кристаллов, и базирующейся на представлении о дислокациях, как основных носителях этих свойств, ставят перед исследователями ряд новых задач, связанных с изучением подвижности дислокаций в кристаллической ресетке, динамики их поведения при воздействиях различной природы, меха- ! і змов размножения и взаимодействия друг с другом, а также с другими дефектами с учетом фактора анизотропии.
Практика показывает, что в решешш этих задач большое значение приобретают ультразвуковые (акустические) метода исследования дислокаций, в частности - метод внутреннего трения. Внсокая структурная чувствительность, простота и надежность ультразвуковых методов, а также возможность вести непрерывные измерения в очень широком интервале амплитуд деформации (от~І0 до~10~^), делают эти методы особенно перспективными Применение метода внутреннего трения к исследованию дислокаций основывается на.глубокой связи меаду структурой реального кристалла и его диссипативными свойствами, то есть способностью кристалла необратимо преобразсн Бывать в тепло часть механической энергии, сообщенной ему в процессе деформации. К числу факторов, определяющих дислокационный механизм диссипации механической энергии в кристаллах, относятся: упругие и инерционные свойства самих дислокаций; их плотность; наличие или отсутствие точечных дефектов на линиях дислокаций (точек закреплен"ч) и в объеме кристалла; тип закрепления и энергия связи; характер дкссипативннх сил, торгозяилх движение
дислокаций; потенциальные барьеры, связанные с периодическим строением кристалла (силы Пайерлса-Набарро); другие факторы. Существование в кристаллах дискретного набора направлений и плоскостей скольжения дислокаций приводит к тому, что действие перечисленных факторов оказывается различным для различных систем скольжения, что обусловливает анизотропию дислокационного внутреннего трения. Таким образом, изучение особенностей анизотропии внутреннего трения в кристаллах позволяет получить дополнительную ценную информацию о динамике поведения, структуре и свойствах дислокаций различных систем скольжения, которую нельзя или затруднительно извлечь другими методами.
В настоящее время известно сравнительно небольшое число экспериментальных и теоретических работ, специально посвященных изучению анизотропного вну еннего трения. Большинство работ, выполненных до начала наших исследований и в более позднее время, имеют частный характер и не дают однозначного ответа на вопрос о конкретних механизмах возникновения ориентационнои зависимости внутреннего трения в кристаллах. Данная работа является, по существу, первой работой такого рода, в которой проведены целенаправленные и систематические исследования анизотропии дислокационного внутреннего трения в реальных кристаллах.
Цель и задачи работы. Главной целью работы являлось всестороннее теоретическое и экспериментальное исследование роли дислокационных механизмов в формировании ориентационнои зависимости внутреннего трения в кристаллах и изучение влияния на нее различных факторов в ультразвуковом диапазоне частот. При этом ставились следующие основные задачи:
теоретически исследовать наиболее общие особенности анизотропии фона внутреннего трения в кристаллах различных сингоний;
обосновать применимость дислокационной модели к описанию анизотропного внутреннего трения;
разработать методику проведения измерений внутреннего трения с использованием анизотропных образцов в области частот ~Ю5 Гц;
экспериментально исследовать ориентацио-'ную зависимость дислокационного внутреннего трения в высокосимметричных кристаллах кубической и гексагональной сингоний при частотах~10J Гц, установить основные закономерности этой зависимости и изучить
- 5 _
влияние на нее различных факторов: температуры, амплитуды деформации, степени предварительной пластической деформации ультразвуком, облучения, отшіга и некоторых других;
- на основании анализа полученных данных выработать практи
ческие рекомендации по применении метода анизотропного внутренне
го трения для исследования дислокационной структуры реальных
кристаллов.
Помимо основных задач, в ходе работы был поставлен и решен также.ряд вспомогательных задач, связанных с разработкой методик выращивания и приготовления образцов монокристаллов с заданной кристаллографической ориентацией, выявления в них дислокаций, определения амплитуды механических напряжений в различных точках образца, а также стартовых напряжений дислокаций непосредственно в процессе ультразвуковой вибрации.
Научная новизна и практическая значимость работы определяются всем комплексом поставленных выше задач и теми результатами, которые были получены в ходе исследований. Выделим главные из них:
разработаны основы феноменологической и микроскопической 'дислокационной) теорій поглощения и дисперсии упругих волн в анизотропных средах;
предложен новый механизм поглощения упругих волн в кристаллах, обусловленный энгармонизмом поведения дислокаций при малых амплитудах деформации;
установлена неизвестная ранее функциональная зависимость между внутренним трением и дефектом упругих модулей в кристаллах и доказано свойство ее амплитудной инвариантности;
созданы новые неразрутающие методы определения амплитуды механических напряжений и стартовых напряжений дислокаций при высокочастотной вибрации;
получены новые экспериментальные данные о дислокационной природе механизма формирования ориентационнои зависимости внутреннего трения и дефекта модуля Юнга в ионных кубических кристаллах
и ШУ металлах;
- на основе анализа полученных данных выработаны практиче
ские рекомендации по применению метода анизотропного внутреннего
трения для определения активных систем скольжения дислокаций в
условиях, исключающих или затрудняющих пластическую деформацию
кристаллов. . .
Кроме того, в ходе исследований был установлен ряд новых закономерностей и эффектов (активация вторичных систем скольжения в кристаллах типаЯаСЬ при деформировании их ультразвуком; полное подрчление ориентационной зависимости внутреннего трения в ионных кристаллах под действием проникающего излучения; линейная зависимость между пределом текучести и стартовим напряжением дислокаций; немонотонная температурная зависимость базисного скольжения и свойство поперечной изотропности внутреннего трения в ГПУ металлах и некоторые другие), имеющих важное значение для приложений теории прочности и пластичности с целью создания методов и технологий получения кристаллических материалов с направленно изменяемыми свойствами. Выбор объектов исследования - ионных кубических кристаллов со структурой типа На С и ranaCsCd и ГПУ металлов - также представляется важным с практической точки зрения, поскольку эти кристаллы находят широкое применение в различных областях науки и техники.
Основные положения и результаты, вынослмые на защиту:
-
Феноменологическая теория поглощения упругих ьолн в кристаллах с учетом пространственно-временной дисперсии; метод построения указательных поверхностей внутреннего трения.
-
Дислокационная теория анизотропного внутреннего трения; сводка ориентационных факторов для возможных систем скольжения полных дислокаций в ионных кубических кристаллах со структурой типаМіСі и типаСэСС и ПІУ металлах.
-
Механизм поглощения упругих волн в кристаллах, обусловленный действием на дислокации обобщенных сил Пайерлса-Набарро; доказательство амплитудной инвариантности функционального соотношения между внутренним трением и дефектом модуля Юнга в кристаллах.
-
Поляризационно-оптический метод определения амплитуды механических напряжений при высокочастотных вибрациях.
-
Неразрушающий динамический метод определения стартовых напряжений дислокаций (метод вольт-амперных характеристик).
-
Экспериментальные доказательства дислокационной природы механизма формирования ориентационной зависимости внутреннего трения и дефекта модуля Юнга в кристаллахKaCfc, КС , KBr , LiF
и С*1 при комнатной температуре и частотах ~10 Гц; новые дан-
нне о стартовых напряжениях дислокаций в ионных кубических кристаллах.
7. Экспериментальные доказательства дислокационной природы механизма формирования ориенгационной зависимости внутреннего трения в ГПУ металлахНп, Cd иМд в интервале температур от 20 до 270С и частотах ~I0 Гц; доказательство свойства поперечной изотропности внутреннего трения в гексагональных кристаллах.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Республиканском совещании по ультраакустике твердого тела (Киев - Канев, IS69 г.); Научной конференции "Ломоносовские чтения" (Москва, МГУ, 1970 г.); Всесоюзном совещании "Механизмы внутреннего трения в полупроводниковых и металлических материалах (Сухуми, 1970 г.); Всесоюзных совещаниях "Механизмы внутреннего трения в твердых телах" (Батуми, 1974 г., 1985 г.; Кутаиси, 1979 г., 1982 г.; Тбилиси, 1989 г.); Всесоюзном совещании "Эле- ментарные процессы, пластической деформации кристаллов" (Харьков, 1976 г.); П-ом Всесоюзном семинаре "Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов" (Свердловск, 1980 г.); У-ом и УІ-ом Всесоюзных совещаниях "Взаимодействие между дислокациями и атомами примесей и свойства сплавов" (Тула, 1982 г.,, 1^35 г.); Ш-ей, ЗУ-ой и У-ой Всесоюзных школах по физике прочности и пластичности (Харьков - Салтов, 1984 г., 1987 г., 1990 г.і Всесоюзной школе-семинаре по проблеме "Релаксационные явления в металлических и неметаллических материалах" (Ереван, 1987 г.); Международных симпозиумах "Прогресс в развитии количественных методов неразрушавдего контроля" (Ла-Йолла, США, 1986 г.; Бран-суик, CkA, 1991 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 печатных работ, перечень которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, трех приложений и списка литературы. Основное 'содержание работа изложено на 295 страницах текста, включая 68 рисунков и 31 таблицу. Список литературы насчитывает 328 наименований.
