Введение к работе
Актуальность работы. Последние два десятилетия характеризуются бурным развитием нелинейной динамики диссипативных систем и ее влиянием практически на все разделы естествознания. Методы динамического анализа только начинают применяться в физике пластичности и фазовых превращений. Предпринимаются попытки применения теории динамических систем к анализу устойчивости макроскопического ансамбля дислокаций деформируемого кристалла с учетом корреляции дислокационных процессов [1], а также использования динамического и мультифрактального анализа для исследования временных рядов, отражающих неустойчивое пластическое течение металлов [2], неустойчивый рост кристалла из расплава [3], множественное разрушение [4] и т.д. В связи с этим, современный этап развития физики дислокаций и фазовых переходов первого рода характеризуются осознанием роли динамического аспекта, который состоит в исследовании динамики формирования реальной структуры дефектов кристалла непосредственно в ходе механического и/или теплового воздействия и отражает одно из фундаментальных направлений физики - проблему формирования структур в неравновесных динамических системах. По мнению многих исследователей эволюция таких систем носит универсальный характер. Действительно, пластическая деформация, разрушение кристаллов, фазовые превращения первого рода с участием кристаллической фазы (кристаллизация, полиморфные превращения) являются в большинстве случаев термоактивационными процессами, происходящими в сходном потенциальном рельефе, содержащем периодическую составляющую и случайную сетку потенциальных ям и барьеров. Поэтому кинетика этих процессов имеет сходные черты в близких термодинамических условиях: в слабо неравновесных условиях (низкие степени и скорости деформирования или переохлаждения) они носят прерывистый скачкообразный характер, обусловленный стохастической динамикой отдельных дефектов и структурных элементов кристалла, дислокационных сегментов, полос скольжения, микротрещин, дендритов и т.д., а в сильно неравновесных условиях испытания (высокие скорости и степени деформации в сочетании с низкими температурами, сильное переохлаждение и пр.) проявляет явную тенденцию к взрывообразному автомодельному режиму, который отличается высокой степенью кооперативности эволюции дефектов кристалла: деформационные «взрывы» при низкотемпературной деформации металлов, рост закритической трещины скола, спонтанная кристаллизация аморфных пленок и др.
Для моделирования таких процессов необходима информация о динамических свойствах дефектов и структурных элементов, ответственных за формирование реальной структуры кристаллов. Традиционные исследования микроструктуры, как правило, не обладают временным разрешением, достаточным для анализа динамики дефектообразования и эволюции микроструктуры кристалла в реальных условиях испытания. Поэтому для получения информации о диссипативных свойствах кристалла по отношению к силовому и тепловому воздействию, отвечающих за формирование его структуры в неравновесных условиях, необходимо разрабатывать новые подходы к исследованию подвижности дефектов и их ансамблей. Таким образом, для построения динамической теории прочности, пластичности и фазовых переходов первого рода на основе взаимосвязанных динамических моделей эволюции дефектов различных иерархических уровней необходима
экспериментальная информация о частотном спектре процессов структурной релаксации, отвечающая такой иерархии: о характерных временах работы источников, их производительности, скоростях движения соответствующих структурно-кинетических элементов, глубине релаксации, осуществляемой ими, об их пространственно-временной корреляции, статистике, фрактапьности и т.д.
Особенно это важно для мезоскопического масштабного уровня, связанного с динамикой ансамблей мезоструктурных элементов: дислокационных полос скольжения, двойников, микротрещин, волн плотности ступенек роста, дендритов, доменов и т.д. Подобные мезоскопические объекты локализуют процесс структурной релаксации (деформации, разрушения, кристаллизации и пр.) и вызывают формирование пространственно неоднородной структуры кристалла. Мезоскопический структурный уровень характеризуется коллективными нелинейными эффектами, обусловленными «сильным» взаимодействием микроскопических дефектов из-за их высокой плотности в ансамбле и, как следствие, — высокой подвижностью мезодефектов. В настоящее время не существует адекватных методов описания динамики таких дефектов. Например, неоднородность пластической деформации, градиенты смещения и внутренних напряжений в дислокационном скоплении столь велики, что макроскопическое приближение становится неприменимым, а микроскопический подход сталкивается с проблемой учета самосогласованного движения большого числа дислокаций, сложной структурой реального ансамбля и пр. Экспериментальное изучение динамики дислокационных скоплений связано с трудностями методического характера, которые не позволяют получить необходимую информацию для построения физических моделей события пластической деформации на этом уровне. Таким образом, всестороннее изучение динамических свойств мезоскопических структурных элементов: дислокационных полос скольжения, микротрещин, дендритов и т.д., а также статистики популяций этих мезодефектов и структурных кинетических элементов в реальных условиях деформирования или теплового воздействия в настоящее время является актуальной проблемой. Диссертационная работа посвящена исследованию динамики процесса формирования структуры дефектов моно- и поликристалла преимущественно на мезоскопическом структурном уровне. В качестве объекта исследования выбран лед по следующим соображениям.
Во-первых, лед прозрачен, обладает фотоупругостью и оптически активен, что позволяет поляризационно-оптическими методами контролировать зарождение и эволюцию мезодефектов (дислокационных скоплений и трещин), их взаимодействие друг с другом, границами зерен и прослеживать in situ передачу сдвига и разрушения от зерна к зерну, исследовать детали докритического разрушения и т.д. Кроме того, вследствие анизотропии свойств межфазной границы лед-вода растущие кристаллы льда плоские, что дает возможность (в некоторых специальных условиях, например, при кристаллизации пленки воды) контролировать оптическими методами особенности процесса формирования поликристаллического льда от начальных стадий зарождения и роста дендритов и кристаллов другой формы вплоть до завершения фазового перехода. Отметим здесь, что дендритный рост является наиболее общей формой кристаллизации, наблюдаемой в природе и характерен для материалов с низкими энтропиями плавления (металлы, кристаллы «благородных газов», лед, многие органические материалы и др.). Ветвление дендритных кристаллов определяет, в конечном счете, масштабную шкалу микросегрегации примеси в
слитке и влияет на весь спектр биографических свойств поликристаллов. Природа неустойчивости фазовой границы, приводящей к образованию боковых ветвей является острой проблемой неравновесного морфогенеза [3]. Использование в настоящей работе льда в качестве модельного объекта для тестирования теорий дендритного роста позволило установить корреляцию между осцилляциями скорости вершины дендрита и динамикой ветвления. Таким образом, лед является удобным модельным материалом для исследования общих закономерностей динамики, статистики и морфологии процессов, ответственных за формирование мезоскопической структуры поликристаллических материалов, включая неравновесный рост кристалла из расплава, динамику зарождения, распространения и взаимодействия мезодефектов в деформируемом поликристалле вплоть до макроразрушения образца.
Во-вторых, как и во многих диэлектрических и полупроводниковых материалах дефекты кристаллического строения льда электрически активны: дислокации переносят электрический заряд, берега быстрой трещины приобретают противоположные заряды, а вблизи движущейся межфазной границы лед-вода возникает межфазная разность потенциалов (эффект Воркмана-Рейнольдса) за счет формирования неравновесного двойного электрического слоя из примесных анионов и катионов. Поэтому, как и в щелочногаллоидных кристаллах (ЩГК) и соединениях АгВб [5, 6], нестационарная эволюция дислокационных полос, микро- и макротрещин, а также растущих кристаллов льда должна сопровождаться генерированием собственного электромагнитного излучения. Явление генерирования сигнала электромагнитной эмиссии быстрой трещиной во льду хорошо известно [7], а сведений об обнаружении электромагнитных сигналов, вызванных эволюцией дислокационных скоплений в моно- и поликристаллическом льде, а также нестационарной динамикой межфазной границы лед-вода в литературе отсутствуют. Эти электромагнитные эффекты обнаружены впервые в настоящей работе, и впервые получен «альбом» электромагнитных отображений важнейших динамических процессов формирования структуры поликристаллического льда с участием полос скольжения, границ зерен, микротрещин, дендритов, растущих кристаллов другой формы и т.д., позволяющий по электромагнитному сигналу обнаруживать и исследовать in situ эти динамические структурные элементы в сложных процессах структурообразования растущего поликристалла, а также в условиях множественного скольжения и разрушения деформируемого льда.
В-третьих, изучение природы электромагнитных явлений, сопровождающих динамические процессы во льде, имеет очень важное практическое значение, связанное, прежде всего, с проблемами навигации в условиях северных широт, а также с проблемой прогнозирования некоторых катастрофических явлений с участием больших масс льда: движение и сход ледников, снежных лавин, распространения трещин в мерзлых грунтах и ледяных покровах водоемов и пр. Эти явления неравновесны и динамичны по своей природе и представляют собой естественное сочетание различных процессов структурной релаксации: пластической деформации, разрушения, плавления и кристаллизации. Вместе с тем известно, что катастрофическая динамика этих геофизических объектов сопровождается генерированием радиоизлучения в области средних частот [8]. Всплески радиоизлучения наблюдаются и перед развитием катастрофических сдвигов, являясь их электромагнитными предвестниками. Поэтому существует практический интерес к непрерывному
электромагнитному мониторингу природной среды, содержащей большие массы льда, склонные к катастрофическим сдвигам. Вопросы их прогнозирования сталкиваются с необходимостью идентификации по электромагнитному сигналу указанных процессов структурной релаксации в сложном природном явлении. В настоящей работе предусматривается создание «чистых» модельных ситуаций в лабораторных условиях, в которых такая идентификация не вызывает сомнения. Таким образом, предполагается использовать лед не только в качестве модельного материала для исследования кинетики пластической деформации, разрушения и кристаллизации, но и как материал сложных природных объектов, динамика которых слабо изучена в настоящее время.
Цель работы: на основе комплексных исследований динамики и статистики нестационарных процессов пластической деформации, разрушения и роста льда преимущественно на мезоскопическом структурном уровне установить статистические закономерности коллективных процессов структурной релаксации во льде с участием большого количества дислокационных скоплений, микротрещин, дендритов и т.д., а также разработать физические основы управления неравновесными биографическими мезоструктурами кристалла и электромагнитного in situ мониторинга динамических процессов формирования мезоскопической структуры кристалла диэлектрика (на примере льда) при механическом и тепловом воздействии.
Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи исследования:
-
Разработать комплекс in situ методов исследования на мезо- и макроуровне динамики неустойчивостей процессов структурной релаксации во льде с участием дислокационных скоплений, трещин, дендритов и т.д., основанный на синхронном использовании методов электромагнитной и акустической эмиссии, поляризационно-оптических методов и высокочувствительных методов измерения деформации.
-
Экспериментально исследовать особенности динамики и морфологии неравновесного роста льда в переохлажденной воде в области гетерогенного механизма зарождения льда 0.1<ДГ<30 К и построить в этой области переохлаждения кинетическую морфологическую диаграмму, систематизирующую различные неравновесные формы роста. Исследовать влияние естественной конвекции, теплопроводности и поверхностной кинетики на рост льда при различных переохлаждениях.
-
Установить механизмы неустойчивости межфазной границы лед-вода, ответственные за формирование разветвленных неравновесных форм роста кристаллов льда при различных уровнях исходного переохлаждения и оценить роль теплового шума, расщепления вершины и осцилляции ее скорости в процессах ветвления монокристаллических зерен льда.
-
Экспериментально установить соответствие между параметрами сигнала электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) и: 1) динамикой дислокационных скоплений и трещин в моно- и поликристаллическом льде; 2) кинетическими кривыми кристаллизации, пластической деформации и разрушения; 3) динамикой и морфологией неравновесного роста льда. Составить «альбом» электромагнитных отображений исследуемых процессов структурной релаксации, позволяющий идентифицировать активные мезоскопические дефекты и структурно-кинетические элементы по электромагнитному сигналу и оценивать in situ их роль в формировании мезоструктуры кристалла при механическом или тепловом воздействии.
-
Экспериментально и аналитически исследовать взаимосвязь между собственным электромагнитным излучением разбавленного водного раствора электролита и эффектом Воркмана-Рейнольдса. Разработать механизмы генерирования сигналов электромагнитной эмиссии при неравновесном росте льда, а также при пластическом течении и докритическом разрушении моно- и поликристаллического льда.
-
Используя полученные данные электромагнитного мониторинга, исследовать процессы пространственно-временной самоорганизации в эволюции дефектов структуры деформируемого поликристаллического льда.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые:
построена морфологическая диаграмма неравновесных форм кристаллов льда, растущих в интервале переохлаждений от 0.1 до 30 К, перекрывающем почти всю область гетерогенного механизма зарождения льда 1ь в воде при атмосферном давлении; описаны и классифицированы кинетические морфологические переходы между неравновесным евклидовыми и фрактальными формами роста; установлена роль естественной конвекции, теплопроводности и поверхностной кинетики в формировании различных фрактальных структур: густой ветвистой, дендритной и игольчатой;
установлены механизмы неустойчивости фронта кристаллизации, ответственные за формирование фрактальных форм роста; показано, что механизмом образования боковых ветвей дендрита льда является осцилляции скорости его вершины, а формирование фрактальной игольчатой ветки и густой ветвистой структуры происходит в результате множественных расщеплений вершин «пальцев»;
обнаружено, что неравновесный рост льда, а также пластическое деформирование льда при одноосном сжатии сопровождается генерированием характерных дискретных сигналов электромагнитной эмиссии; экспериментально установлена количественная связь между параметрами сигнала ЭМЭ и кинетикой развития полос скольжения, консервативных скоплений дислокаций, микротрещин, дендритов, игл и кристаллов льда другой формы и составлен «альбом» электромагнитных отображений мезоскопических событий пластической деформации, разрушения и кристаллизации, образующий своего рода «электромагнитный язык» мезоструктурной релаксации;
установлены механизмы генерирования сигналов ЭМЭ при зарождении дислокационных скоплений во льде, а также при неравновесном росте льда; в частности, установлена зависимость между потенциалом замерзания разбавленных водных растворов NaCl и амплитудой сигналов ЭМЭ, сопровождающих замерзание этих растворов, что свидетельствует о связи явления генерирования ЭМЭ с эффектом Воркмана-Рейнольдса;
с помощью метода ЭМЭ обнаружено, что множественные процессы структурной релаксации (множественное скольжение, разрушение и рост поликристалла) реализуются путем чередования самоорганизации и хаотизации динамики мезоскопических структурно-кинетических элементов: полос скольжения, микротрещин, ледяных зерен и т.д., а также выявлено состояние самоорганизующейся критичности при множественном докритическом разрушении поликристаллического льда.
Научная ценность и практическая значимость работы. Научная ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволили выявить информационное содержание собственного нестационарного макроскопического электромагнитного поля,
возникающего при формировании пространственно неоднородной структуры при пластической деформации, разрушении и росте кристалла в неравновесных условиях. В частности установлено, что обнаруженная собственная ЭМЭ является новым физическим инструментом исследования динамики формирования мезоскопической структуры испытуемого кристалла диэлектрика; ее регистрация и анализ позволили: а) производить отображение динамики формирования пространственно неоднородной мезоскопической структуры кристалла на временной ряд - сигнал ЭМЭ; б) выявить временную самоорганизацию, скейлинг, самоорганизующуюся критичность и фрактальность формирующейся структуры мезоскопических дефектов (полосы скольжения, микротрещины и т.д.); в) идентифицировать различные морфологии неравновесного роста, фиксировать переходы между ними, выявлять ростовые трещины, а также строить in situ кинетическую кривую кристаллизации, пластической деформации и разрушения. Кроме того, впервые получена морфологическая диаграмма неравновесных форм роста кристаллов льда в переохлажденной воде, установлены области переохлаждения, соответствующие росту евклидовых и/или фрактальных форм, а также условия конкуренции и отбора глобальных геометрий неравновесного роста, что позволяет приблизиться к решению фундаментальной проблемы физики конденсированного состояния, связанной с критериями отбора форм фронта разделения в сильно неравновесных условиях морфогенеза.
Практическая значимость работы определяется возможностью использования ее результатов для разработки технологии создания новых структур, прогнозирования поведения материалов в сильно неравновесных условиях, а также для разработки бесконтактных электромагнитных методов неразрушающего контроля роста диэлектрических кристаллов из расплава, контроля качества и оценки надежности материалов и приборов, подвергающихся механическим и тепловым воздействиям и кроме того, методов непрерывного электромагнитного мониторинга геофизических объектов, содержащих большие массы льда и снега, склонных к катастрофической динамике (ледники, снежные лавины и т.д).
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Электромагнитный метод in situ исследования динамики, статистики и фрактальности системы мезоскопических дефектов, представляющий собой метод электромагнитной эмиссии, модифицированный применительно для исследования множественных процессов пластической деформации, разрушения и кристаллизации. Метод позволяет бесконтактно строить кинетические кривые указанных процессов в широкой полосе частот, достаточной для выявления тонких деталей в эволюции пространственно неоднородной мезоскопической структуры кристалла, оценивать скейлинг и степень мультифрактальности неустойчивостей пластической деформации, разрушения и неравновесной кристаллизации.
-
«Альбом» электромагнитных отображений, позволяющий in situ, по сигналу электромагнитной эмиссии, идентифицировать наиболее важные динамические события мезоструктурной релаксации и контролировать непосредственно в ходе деформирования или кристаллизации эволюцию популяций дефектов или структурно-кинетических элементов определенного типа (распространяющиеся полосы скольжения, консервативные скопления, микротрещины, растущие дендритные, иглообразные кристаллы и т.д.), устанавливать корреляционные связи между ними, исследовать по электромагнитному сигналу явления
самоорганизации, динамического хаоса, самоорганизующейся критичности и «подготовку» системы к глобальной катастрофе - макроскопическому разрушению образца.
-
Механизмы генерирования собственного электромагнитного излучения при неравновесной кристаллизации водных растворов и нестационарной пластической деформации льда.
-
Кинетическая фазовая диаграмма фрактальных и евклидовых форм неравновесного роста льда Ih в переохлажденной воде в области гетерогенного механизма зарождения льда при атмосферном давлении: 0.1<ДТ<30 К.
-
Обнаруженные морфологические переходы бифуркационного типа между фрактальными и компактными структурами льда, растущими в сильно переохлажденной воде, а также обнаруженный переход между ростом льда, лимитированным механизмом диффузии тепла в жидкую фазу и ростом, лимитированным преимущественно механизмом поверхностной кинетики.
-
Установленные механизмы неустойчивости межфазной границы лед-вода, ответственные за формирование разветвленных фрактальных форм неравновесного роста льда в сильно переохлажденной воде.
-
Обоснованные и подтвержденные результатами работы физические основы бесконтактной электромагнитной дефектоскопией роста кристаллов диэлектриков, а также электромагнитного мониторинга среды, содержащей большие массы льда и снега (ледники, снежные лавины, ледяные покровы водоемов и т.п.)
Апробация. Результаты работы были представлены на следующих конференциях: IV Международная конференция "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1996); Международная конференция "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 1996); Международный семинар "Актуальные проблемы прочности" (Тамбов, 1998; Псков, 1999; Тамбов, 2003); Международная конференция по росту и физике кристаллов, посвященная памяти М.П. Шаскольской (Москва, 1998, 2003); II, III и IV Международная конференция «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 1999, 2000 и 2004); 12 научная конференция «Математические методы в технике и технологиях ММТТ 12» (Великий Новгород, 1999), Международный междисциплинарный симпозиум «Фракталы и прикладная синергетика (Москва, ФиПС-99, ФиПС-01, ФиПС-03), Международная конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 1996, 1999, 2004); X, XV, XVI Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 1999, 2005, 2006); IX, X, XI Национальная конференция по росту кристаллов (Москва, НКРК-2000, НКРК-2002, НКРК-2004); Международная конференция «Кристаллогенезис и минералогия» КМ-2001 (Санкт-Петербург, 2001); International Conference «Single crystal growth and heat & mass transfer». (Obninsk, ICSC-2001, ICSC-2003, 1CSC-2005); X Международная конференция "Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах" (Тула, 2001); The Thirteen International Conference on Crystal growth in Conjunction with The Eleven International Conference on Vapor Growth and Epitaxy ICCG-13/ICVGE-ll (Kyoto, Japan, 30 July-4 August, 2001); II Всероссийская конференция «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии на межфазных границах «ФАГРАН-2004» (Воронеж, 2004); Всероссийская конференция «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2002); III Международная конференция «Фазовые преврашения и прочность кристаллов»
(Черноголовка, 2004); Ш-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», ПРОСТ 2006 (Москва, МИСиС, апрель, 2006).
Публикации. По результатам выполненных по теме диссертации исследований опубликовано более ста работ. Основное содержание диссертации отражено в 33 статьях в центральной печати (общим объемом 34.5 печатных листа), список которых приведен в конце автореферата.
Достоверность результатов. Выводы диссертационной работы основаны на постановке in situ экспериментов и проведении комплексных исследований, включающих сопоставление данных структурных изменений и временных рядов, отображающих процессы формирования мезоскопических структур; подтверждены большим объемом полученных экспериментальных данных, не противоречат известным положениям физики и согласуются с теоретическими сведениями и экспериментальными результатами других исследователей.
Личный вклад. Основные научные результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем. Соискатель лично поставил задачи исследования и разработал подходы к их решению. В экспериментальных исследованиях, результаты которых опубликованы в соавторстве, соискатель лично разработал измерительные комплексы, обработал и проанализировал экспериментальные данные, подготовил к публикации полученные результаты, а также активно участвовал в изготовлении экспериментальных установок и проведении экспериментов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух частей, включающих в себя восемь разделов, заключения и выводов по работе, приложения и содержит 372 страницы текста, в том числе список литературы из 726 наименований, 109 рисунков и 3 таблицы.
