Акустична емісія як прояв динаміки дефектів кристалічної гратки

????????? ?? http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 539.21

Акустична емісія як прояв динаміки дефектів кристалічної гратки

01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Ківшик Володимир Федорович

Харків 1998

Дисертація є рукописом.

Робота виконана у Науково-технічному центрі електрофізичної обробки НАН України.

Захист відбудеться __2_____квітня____1999 р. о _14__годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 у Харківському державному університеті (310077, м.Харків, м.Свободи, 4, ауд. ім. К.Д.Синельнікова).

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського державного університету.

Автореферат розіслано __25___лютого______1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради В.П. Пойда

гальмування дислокація магнетик

Ківшик Володимир Федорович. Акустична емісія як прояв динаміки дефектів кристалічної гратки. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. Харківський державний університет, Харків, 1998.

Дисертація містить результати експериментальних досліджень взаємозв`язку між рухом дислокацій, що двійникують, і акустичною емісією, яка генерується цим рухом. Установлено сили, які діють на нерухому дислокацію, що двійникує, у кальциті при низьких температурах та механізм гальмування дислокацій у цих умовах. Визначені параметри феноменологічної динамічної теорії двійникування. Виявлено аномалію залежності від температури константи демпфірування дислокацій, що двійникують. Реалізовано методику синхронної реєстрації руху дислокацій, що двійникують, яка складається з швидкісної кінозйомки та реєстрації сигналів акустичної емісії. Виділено перехідне випромінювання звуку дислокаціями, що двійникують та визначено зону формування цього випромінювання. Отримано кутовий та просторовий розподіли випромінювання звуку, який супроводжує анігіляцію дислокацій, що двійникують. Встановлена залежність знака сигналу акустичної емісії від напрямку вектора Бюргерса дислокації.

Ключові слова: акустична емісія, дислокації, що двійникують, статика та динаміка пружного двійникування, кальцит, магнітовпорядковані кристали.

Kivshik Vladimir Fedorovich. Acoustic emission as a manifestation of dynamics of crystal lattice. Manuscript.

Thesis for a candidate degree of physics and mathematics by specialty 01.04.07 - physics of solid state. Kharkiv State University, Kharkiv, Ukraina, 1998.

Dissertation contains results of experimental investigations of the interplay between the mobility of twinning dislocations and the acoustic emission generated by them. The forces that influence the twinning dislocations in calcite at low temperatures and the mechanism of deceleration of dislocations under these conditions are determined. The phenomenological parameters of dynamically twinning theory are defined. The anomaly of the temperature dependence of the twinning dislocations damping constant is found. The method of synchronous registration of the movement of twinning dislocations, which includes speed video filming and registration of signals of acoustic emission, is realized. The transition radiation of sound of twinning dislocations is extracted and a zone of formation of that radiation is defined. The angular and spatial distributions of radiation of the sound produced by the annihilation of twinning dislocations are obtained. The dependence of the sign of signal of the acoustic emission on the direction of Burger's vector of dislocation is determined.

Key words: acoustic emission, twinning dislocations, statics and dynamics of elastic twinning, calcite, magnetically ordered crystals.

Кившик Владимир Федорович. Акустическая эмиссия как проявление динамики дефектов кристаллической решетки. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Харьковский государственный университет, Харьков, 1998.

Диссертация посвящена исследованию связи между акустической эмиссией, генерируемой движущимся ансамблем двойникующих дислокаций, и динамическими характеристиками дислокаций, а также в установлении физической природы звукового излучения, сопровождающего движение дислокаций, как в ионных кристаллах кальцита, так и в магнитоупорядоченных кристаллах.

На основании анализа экспериментальных данных о температурной зависимости силы трения и величины активационного объема установлено, что при низких температурах (Т = 163 300 К) определяющую роль играет пайерлсовский механизм торможения двойникующих дислокаций, который и приводит к гистерезисным явлениям при упругом двойниковании. Тем самым установлена физическая природа феноменологического параметра статической дислокационной теории тонких двойников -- S0. Изучены динамика роста двойника под сосредоточенной нагрузкой и его выход из кристалла под действием сил поверхностного натяжения. Определены феноменологические параметры динамической теории тонких двойников -- константа демпфирования В, энергия активации U и активационный объем . Обнаружена аномалия температурной зависимости константы демпфирования двойникующих дислокаций -- её экспоненциальное снижение с повышением температуры, что противоречит представлению о фононных механизмах торможения и свидетельствует в пользу протекания релаксационных процессов в кристалле, стимулированных движением дислокаций. Реализована методика синхронной регистрации движения двойникующих дислокаций, включающая скоростную киносъемку и регистрацию сигналов акустической эмиссии, для случаев выхода двойника на поверхность и аннигиляции дислокаций в кристалле. Звуковое излучение движущегося скопления двойникующих дислокаций наблюдается в диапазоне скоростей, где имеет место вязкий механизм торможения дислокаций. Установлено, что максимум эмиссии имеет место, когда скорости движения дислокаций максимальны (420 см/c). Форма сигнала звуковой эмиссии полностью согласуется с характером динамических процессов, развивающихся при выходе упругого двойника из кристалла, а амплитуда сигнала пропорциональна скорости дислокаций. Экспериментально выделено переходное излучение звука двойникующими дислокациями при их выходе на поверхность кристалла и обнаружена зона формирования переходного излучения звука скоплением двойникующих дислокаций. Проанализированы условия регистрации импульсов акустической эмиссии, генерируемых при выходе на поверхность кристалла отдельных дислокаций. Установлено, что эти условия таковы: размер зоны меньше среднего расстояния между дислокациями в скоплении в момент выхода на поверхность, а скорость выхода дислокаций достаточно высока. Экспериментально реализованы эти условия и зарегистрированы импульсы акустической эмиссии, генерируемые при выходе на поверхность отдельных дислокаций. Показано, что интенсивная акустическая эмиссия при аннигиляции двойникующих дислокаций наблюдается на последнем этапе исчезновения двойника. Получены угловое и пространственное распределения излучения звука, сопровождающего аннигиляцию двойникующих дислокаций. Оценен радиус аннигиляции дислокаций, который для двойникующих дислокаций равен приблизительно 10-7 см. Установлена зависимость знака сигнала акустической эмиссии от направления вектора Бюргерса дислокации, что дает возможность, измеряя акустическую эмиссию, получать информацию о том, растет или уменьшается пластическая деформация двойникованием во времени. Теоретически получены выражения для сил торможения дислокаций в антиферромагнетиках типа лёгкая ось.

Показано, что в диэлектриках динамика дислокаций определяется магнонными и фононными силами торможения, и проведено сравнение зависимости этих сил от температуры, магнитного поля и скорости дислокаций.

Аналогичное рассмотрение выполнено для случая антиферромагнитного металла. Получены выражения для зависимости параметров фазовых превращений в многодоменных антиферромагнетиках от амплитуды звукового поля.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, двойникующие дислокации, статика и динамика упругого двойникования, кальцит, магнитоупорядоченные кристаллы.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Різноманітність динамічних процесів, які можуть одночасно відбуватися у твердих тілах, приводить до того, що перед дослідниками постає досить складна задача розпізнавання за сигналами акустичної емісії (АЕ) конкретних фізичних процесів, що їх викликали. У зв'язку з цим є вельми актуальними як експериментальні, так і теоретичні дослідження явища АЕ та ідентифікація джерел АЕ.

До теперішнього часу накопичено значний експерименталь-ний та теоретичний матеріали з досліджень за допомогою методу АЕ різноманітних динамічних процесів, які відбуваються у твер-дих тілах. Значне місце у цих дослідженнях займає вивчення різноманітних елементарних актів пластичної деформації. Особлива увага при цьому приділялась проблемам дослідження акустичного випромінювання, яке здійснюють дислокації, коли вони рухаються та взаємодіють.

У роботах А.М.Косевича, В.Д.Нацика, В.С.Бойка розробле-на динамічна теорія дислокацій та описано ряд конкретних фі-зичних явищ, що супроводжуються акустичним випромінюванням.

Для експериментального вивчення закономірностей АЕ важливо реалізувати експеримент, у якому б вивчалася тільки динаміка дислокацій. Поряд з унікальністю методик реєстрації АЕ експерименти по її вивченню пов'язані також з труднощами розшифровки здобутої інформації. Оскільки у матеріалі реалізуються паралельно декілька процесів, то аналіз імпульсів, що виникають, пов'язаний з деякими труднощами. У зв'язку з цим перевагу слід віддавати ситуаціям, коли здійснюється тільки один процес, який не завуальовано шумами.

Класичним об'єктом для цього є пружний двійник у кристалах кальциту. Пріоритетні праці Р.І.Гарбера із співробітниками, присвячені вивченню механічного двійникування у кальциті, привернули до себе увагу як теоретиків, так і експериментаторів, і стимулювали розгляд прояву елементарних актів пластичної деформації у твердих тілах. У експериментах з пружними двійниками у кальциті можливе візуальне спостереження зародження макроскопічних скупчень дислокацій, подальшого їх розвитку в залежності від величини і напрямку навантаження, що прикладено. Особливістю цих експериментів є їх абсолютна однозначність, адже у цьому випадку немає необоротних втрат енергії у матеріалі і не відбувається ніяких проявів інших видів пластичної деформації. Здійснюється лише взаємодія межі пружного двійника з кристалічною граткою.

Все це дає підставу вважати, що дуже перспективними і актуальними можуть бути експериментальні дослідження закономірностей АЕ при двійникуванні у кристалах кальциту як для вивчення динаміки дислокацій, так і для зіставлення цих результатів із результатами вже проведених теоретичних досліджень. Аналогія між двійниками та магнітними доменами робить вельми актуальною і задачу дослідження динаміки дислокацій та інших акустоемісійних процесів у магнетиках.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у Науково-технічному центрі електрофізичної обробки (НТЦ ЕФО) НАН України і пов'язана з виконанням держбюджетної теми “Модульовані структури та їх фазові перетворення в упорядкованих середовищах” (номер державної реєстрації 0195U022247, термін виконання: 1995-1999 рр.). Експериментальні результати, які опубліковані у статтях 1970-1984 рр., отримані у Харківському фізико-технічному інституті АН України у рамках теми “Дослідження атомної будови ядра дислокації та її впливу на рух швидких часток, динаміки руху поодиноких дислокацій та їх скупчень при деформації” (номер державної реєстрації У28694). Робота відповідає за своєю тематикою розділам “Фізичне матеріалознавство” та “Наукові основи перспективних технологій” у пріоритетних напрямках розвитку науки і техніки в Україні.

Мета та основні задачі дослідження. Метою цього дослід-ження є встановлення зв'язку між акустичною емісією, яка генеру-ється рухом ансамбля дислокацій, що двійникуть, та динамічними характеристиками цих дислокацій, а також з'ясування фізичної природи звукового випромінювання, що супроводжує рух дисло-кацій, як у іонних кристалах кальциту, так і у магнітовпоряд-кованих кристалах.

Для досягнення поставленої мети потрібно було:

--експериментально вивчити статику та динаміку дислокацій, що двійникують;

--встановити необхідні умови утворення імпульсів акустичної емісії;

--розробити методику синхронної реєстрації сигналів акустичної емісії та динаміки дислокацій, що двійникують;

--встановити особливості прояву акустичної емісії, яка генерується рухом ансамблю дислокацій, що двійникуть, а також рухом окремих дислокацій;

--зіставити експериментальні результати з дислокаційними теоріями тонких двійників та звукового випромінювання;

--теоретично розглянути особливості механізмів гальмування дислокацій у магнетиках, у тому числі поблизу точок фазових перетворень, з урахуванням доменної структури.

Наукова новизна одержаних у роботі результатів полягає насамперед у тому, що у ній вперше експериментально підтверджено та обгрунтовано ряд положень та висновків статичної і динамічної теорій пружного двійникування та теорії звукового випромінювання дислокацій.

Установлено фізичну природу феноменологічного параметру статичної дислокаційної теорії тонких двійників - S0. Показано, що в інтервалі температур від 163 К до 300 К визначальну роль у гальмуванні дислокацій відіграє пайєрлсовський механізм, який і призводить до гістерезисних явищ пружного двійникування.

Вперше з використанням методу швидкісної кінозйомки виконано дослідження динаміки пружного двійника в усьому діапазоні швидкостей його розвитку як при його зростанні, так і під час його зникнення. Визначено феноменологічні параметри динамічної теорії двійникування - константу дeмпфірування B, енергію активації U, активаційний об'єм - та підтверджено положення цієї теорії про динамічну поведінку пружного двійника при великих і малих швидкостях його руху (від 1 см/c до 102 см/с). Виявлено аномалію температурної залежності константи демпфірування в інтервалі температур 243 -- 923 К.

Завдяки розвинутій у роботі методиці синхронної реєстрації руху дислокацій, що двійникують, за допомогою швидкісної кіно-зйомки і шляхом реєстрації сигналів акустичної емісії, що генеру-ються, встановлено зв'язок останньої з рухом дислокацій і вивчено ряд акустичних ефектів, пов'язаних з особливостями цього руху.

Встановлено, що звукова емісія спостерігається при великих швидкостях руху дислокацій (10 см/с 102 см/с), коли він має в'язкий характер. Здобуто дані про розподіл дислокацій та їх швидкостей вздовж рухомого скупчення дислокацій, що двійни-кують. Зареєстровано акустичні сигнали від окремих дислокацій.

Виділено перехідне випромінювання звуку при виході дислокацій, що двійникують, на поверхню кристала і визначено зону формування акустичного сигналу. Вивчено кутовий та просторовий розподіли анігіляційного випромінювання. Експериментально доведено зв'язок між знаком сигналів звукової емісії та знаком тензора густини потоку дислокацій.

Теоретично досліджено особливості гальмування дислокацій, загасання звуку та акустичного впливу на параметри фазових переходів у магнітовпорядкованих кристалах. Зроблено порівняння виразів для фононного та магнонного внесків у силу гальмування дислокацій, що дає змогу проаналізувати виміряні за допомогою методик акустичної емісії експериментальні дані.

На захист виносяться такі конкретні наукові результати та положення:

Результати досліджень температурної залежності гістерезису довжини пружного двійника, що дозволили встановити сили, які діють на дислокацію, що двійникує, з боку гратки у кальциті в інтервалі температур 163 -- 300 К і визначити механізм їх гальмування за цих умов.

Результати експериментальних досліджень динаміки пружного двійника при його зростанні і зникненні, що дозволили визначити феноменологічні параметри динамічної теорії двійникування.

Експериментальне відкриття аномалії температурної залежності константи демпфірування дислокацій, що двійникують, в інтервалі температур 273 -- 723 К.

Методика синхронної реєстрації руху дислокацій, що двійникують, у якій використовуються швидкісна кінозйомка та реєстрація сигналів акустичної емісії.

Експериментальне виділення перехідного випромінювання звуку дислокаціями, що двійникують, визначення зони формування цього випромінювання і реєстрація імпульсів акустичної емісії, які генеруються окремими дислокаціями при виході на поверхню.

Кутовий і просторовий розподіл випромінювання звуку, який супроводжує анігіляцію дислокацій, що двійникують.

Установлення залежності знака сигналу акустичної емісії від напрямку вектора Бюргерса дислокації.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що вони розширюють уявлення про фізичну природу звукового випромінювання. Вони дозволяють однозначно реєструвати сигна-ли акустичної емісії, які супроводжують процес руху скупчення дислокацій, що двійникують, на рівні елементарних актів пласти-чної деформації. Експериментально встановлені закономірності ди-наміки дислокацій і особливості прояву акустичної емісії є важли-вими для розвитку теорії пластичної деформації і необхідні для фізичного обгрунтування використання методу акустичної емісії для здійснення неруйнівного контролю структури і технічної діаг-ностики різноманітних твердотільних матеріалів та конструкцій.

Особистий внесок здобувача. У дисертації використовуються результати, які опубліковано у роботах у співавторстві з В.С.Бойко, Р.І.Гарбером, В.Ф.Клепіковим, Л.Ф.Кривенко. Особисто автором було розроблено схему синхронної реєстрації руху дислокацій, що двійникують, та сигналів акустичної емісії, реалізовано практичне проведення всіх експериментів при вивченні статики і динаміки дислокацій, що двійникують. Окремі експерименти з реєстрації акустичної емісії виконані разом з Л.Ф.Кривенко. Вивчення динаміки скупчення дислокацій на теоретичному рівні проведено В.С.Бойко, а експериментальні результати, отримані автором і представлені у дисертації, є або їх підтвердженням, або були підгрунтям для подальшого розвитку теорії. Теоретичні дослідження, які містяться у 5 розділі, виконані разом з В.Ф.Клепіковим. Автор роботи брав активну участь в обробці всіх експериментальних даних, у обговоренні отриманих результатів, у підготовці і оформленні публікацій.

Апробація результатів дисертації. Результати, викладені у дисертації, доповідались і обговорювались на VIII Всесоюзній конференції з фізики міцності та пластичності металів і сплавів (м.Куйбишев, 1976р.), на Конференції Физика пластичности кристаллов (м.Харків, 1976р.), на Міжнародній конференції 1993 Materials Week. Twinning in Advanced Materials III (Pittsburgh, Pennsylvania, 1993), на Міжнародній науково-технічній конференції Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования. Элементарная база и комплектующие для приборов НК. Подготовка специалистов в сфере неразрушающего контроля и технической диагностики (м.Харків, 1998р.), на Меморіальному симпозіумі академіка В.Н.Гриднєва Металлы и сплавы: Фазовые превращения, структура, свойства (м.Київ, 1998р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 12 статтях у фахових наукових журналах та у 4 збірках наукових праць і тез доповідей конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із списку основних позначень, вступу, пяти розділів, висновків, приміток і списку цитованої літератури. Вона містить 162 сторінки, вклю-чаючи 31 рисунок, 1 таблицю та бібліографію з 193 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі аналізується стан проблеми на час початку роботи над дисертацією, подаються основні експериментальні та теоре-тичні результати досліджень динамічних процесів у твердих тілах та характеризується явище АЕ як важливий експериментальний метод. Обгрунтовано актуальність теми дисертації. Визначені зв'язок проведених досліджень із науковими програмами, мета та основні завдання роботи, сформульовані наукова новизна одержаних результатів, основні конкретні наукові результати та положення, які винесені на захист. Наведено наукове та практичне значення роботи.

У першому розділі подано визначення акустичної емісії та розглянуто різноманітні динамічні процеси, які приводять до стру-ктурних змін у твердому тілі і відіграють роль джерела акустичної емісії: пластична деформація (ковзання, двійникування), фазові та структурні перетворення, зародження і розвиток тріщин та ін. Наведено основні характеристики АЕ, які вимірюють при дослі-дженні динамічних процесів у твердих тілах. Описано методи іде-нтифікації та прогнозування дефектів, що розвиваються, за акус-тичним випромінюванням. Зроблено огляд робіт про статику і ди-наміку пружного двійникування, звертаючи особливу увагу на дві-йникування кристалів кальциту. Описано основні закономірності пружного двійникування та акустичного випромінювання, що його супроводжує. Аналізуються макроскопічна і мікроскопічна теорії двійникування а також розвиток дислокаційних уявлень про цей процес. Описано основні характеристики звукового випромінюван-ня при фазових перетвореннях та магнітоакустичних явищах.

У другому розділі викладено задачі дисертаційної роботи, обгрунтування вибору об'єктів та методів дослідження і наведено їх скорочений опис. Об'єктом експериментальних досліджень були зразки кальциту призматичної форми, вирізані таким чином, що поперечний переріз призми співпадав з площиною двійникування , одна пара граней була паралельна площині зсуву , а друга - перпендикулярна до них. Змінюючи розміри та форму зразків а також схему навантаження, підбирали їх таким чином, що двійники, які утворюються, складались із прямолінійних відрізків гвинтових та крайових дислокацій. За допомогою ножа або кульки до зразка прикладали зосереджене навантаження, достатнє для утворення пружного двійника. Утримання та вплив на пружний двійник у кристалі здійснювали за допомогою розподіленого навантаження. Похибка визначення навантаження складала величину 0,1%. Швидкість зміни навантаження була приблизно 10-3 Н/с при навантаженні 10 Н, тому умови навантаження можна вважати квазістатичними.

Температурна залежність феноменологічного параметру теорії тонких двійників, який визначає силу тертя, S(T) вивчалась за гістерезисом довжини двійника у температурному інтервалі 163 -- 300 К. Наведено опис установки, спеціально розробленої для таких експериментів. Для дослідження динамічної поведінки двійника застосовували швидкісну кінозйомку за допомогою кінокамери СКС-1М зі швидкістю зйомки 3000 кадрів за секунду. Отримували зображення двійника з інтервалом часу, який не перевищував 10-3 с та визначали його довжину з абсолютною похибкою 0,2 мм, коли загальна довжина двійника складала 6 -- 7 мм. Для зіставлення динаміки двійника та звукового випромінювання було розроблено методику синхронної реєстрації переміщення дислокацій та акустичної емісії, яка генерується цим переміщенням. Методика включає швидкісну кінозйомку двійника, що рухається, та реєстрацію сигналів акустичної емісії, які здійснюються одночасно. Наведено опис схеми реалізації такого експерименту. Результати теоретичних досліджень отримано з використанням відомих методів теоретичної фізики та теорії магнетизму переважно варіаційними методами, шляхом розв'язання кінетичного рівняння і рівнянь Ландау-Ліфшиця у феромагнетиках та антиферомагнетиках.

У третьому розділі містяться результати експериментальних досліджень закономірностей розвитку пружного двійника у полі зсувних напруг та наведено зіставлення цих результатів з теоретичними розрахунками. Розглянуто сили, які діють на дислокації, що двійникують, механізм їх гальмування, динаміку розвитку та зникнення пружного двійника.

Для того, щоб встановити механізм гальмування дислокацій, що двійникують, були проведені експерименти з визначення сил, які діють на дислокації, що двійникують, у квазістатичних умовах у широкому інтервалі температур (163 -- 300 К), тобто направ-лені на виявлення фізичної природи феноменологічного параметру статичної дислокаційної теорії тонких двійників S0. Температурна залежність цього параметру S0(Т) визначалась з гістерезису дов-жини двійника. Знайдено дуже сильну залежність від температури навантаження, яке необхідне для переміщення двійника, що не мо-же бути обумовлене температурною залежністю пружних модулів кальциту, тому що останні у цьому інтервалі температур мало змі-нюються. Експериментальний хід залежності S0(Т) добре узгод-жується з теоретично розрахованим, де було припущення, що ме-ханізм гальмування дислокацій пайєрлсовський. Вирішальним мо-ментом установлення механізму гальмування є визначення актива-ційного об`єму та порівняння його з тим, який очікується теоре-тично. Отримано значення 10-21 см3, яке відповідає актива-ційному об`єму для пайєрлсовського механізму гальмування. Значення величини та залежність S0(Т) свідчать про те, що при низьких температурах визначальну роль при гальмуванні дислокацій, що двійникують, відіграє пайєрлсовський механізм.

Вивчення динаміки двійника проводилось при його зростанні під дією зосередженого навантаження та при його виході із кристалу під дією сил поверхневого натягу. Досліджувались двійники на тій стадії розвитку, коли вони є макроскопічним скупченням дислокацій. Швидкісна кінозйомка дозволила прослідкувати за швидкостями переміщення дислокацій на різних етапах розвитку пружного двійника. Установлено, що у момент зародження та росту пружного двійника, а також на останніх етапах його виходу із кристала швидкості переміщення значні (10 см/с 102 см/с), а їх залежність від довжини двійника для цього діапазону швидкостей свідчить про те, що рух дислокацій має в`язкий характер. При малих швидкостях розвитку двійника (1 см/с 10 см/с) на останньому етапі його зростання та на початку його скорочення, коли він виходить з кристалу, цей рух має термоактиваційний характер, що добре узгоджується з положеннями динамічної дислокаційної теорії тонких двійників.

Визначено феноменологічні параметри динамічної теорії тонких двійників - константу дeмпфірування B, енергію активації U, активаційний об'єм . Енергія активації руху дислокацій, що двійникують, яку отримано із даних про динаміку розвитку двійника, склала величину U 0,1 эВ. Величину активаційного об`єму було оцінено як 10-19 -- 10-20 см3. Константа В, яку визначено із експериментальних даних про вихід двійника, склала 3 10-4 П при кімнатній температурі. Для з`ясування фізичної природи константи дeмпфірування було виконано експериментальні дослідження її залежності від температури В(Т) у інтервалі температур 243 -- 723 К. Значення В експоненційно зменшується при зростанні температури, що не узгоджується з попередніми уявленнями про фононний механізм гальмування дислокацій. Обговорюється можливий релаксаційний процес, який зумовлює таку поведінку константи дeмпфірування.

У четвертому розділі Акустичні ефекти, пов`язані з рухом дислокацій, що двійникують містяться результати експеримен-тальних досліджень особливостей АЕ, які зумовлені рухом дисло-кацій, що двійникують, у кальциті. Досліджено акустичні ефекти, пов`язані з рухом дислокацій: перехідне випромінювання дислока-цій, які виходять на поверхню кристалу, випромінювання звуку при виході окремих дислокацій, анігіляційне випромінювання. Обговорюються отримані експериментальні результати та подаєть-ся їх порівняння з положеннями дислокаційної динамічної теорії тонких двійників та теорії звукового випромінювання дислокацій.

Реалізовано синхронну реєстрацію переміщення двійника та АЕ, яка при цьому виникає, у випадку, коли двійник виходить на поверхню кристалу, та у випадку анігіляції дислокацій у кристалі. Звукове випромінювання від рухомого скупчення дислокацій спос-терігається у діапазоні швидкостей, де механізм гальмування дис-локацій має в`язкий характер. Максимум АЕ спостерігається тоді, коли швидкості руху дислокацій максимальні (4 102 см/c). Форма сигналу АЕ повністю узгоджується з характером динаміч-них процесів, що розвиваються при виході пружного двійника із кристалу. Амплітуда сигналу пропорційна швидкості дислокацій.

Експериментально виділено перехідне випромінювання звуку дислокацій, що двійникують, при їх виході на поверхню кристала та виявлено зону формування перехідного випромінювання звуку скупченням дислокацій, що двійникають. Знайдено вираз для визначення розмірів цієї зони. Проаналізовано умови реєстрації імпульсів АЕ, що генеруються окремими дислокаціями при виході на поверхню кристалу. Установлено, що ці умови такі: розмір зони менший за середню відстань між дислокаціями у скупченні на момент виходу на поверхню, а швидкість виходу дислокацій достатньо висока. Експериментально реалізовано ці умови і зареєстровано імпульси АЕ, які генеруються окремими дислокаціями при виході на поверхню кристалу.

Показано, що в умовах, коли напрямок швидкості дислокацій по відношенню до поверхні не змінився, а змінився лише знак дислокації, то змінилась також і полярність сигналу емісії. Знак сигналу АЕ визначається знаком добутку bv (b - вектор Бюргерса, v - швидкість дислокації). Знак цього добутку визначає і знак компонент тензора густини потоку дислокацій. Це дає можливість, вимірюючи АЕ, отримувати інформацію про те, зростає чи зменшується пластична деформація двійникуванням з часом.

Насичена АЕ при анігіляції дислокацій, що двійникують, спостерігається на останньому етапі зникнення двійника. Зроблено оцінку радіуса анігіляції дислокацій, який для дислокацій, що двійникують, дорівнює приблизно 10-7 см. Отримано кутову та просторову залежності випромінювання звуку, яке супроводжує анігіляцію дислокацій, що двійникують. Установлено їх якісне узгодження з теорією.

У п`ятому розділі Акустична емісія при фазових перетво-реннях та магнітоакустичних явищах приведено результати дослідження особливостей АЕ при фазових перетвореннях та магнітоакустичних явищах у твердих тілах. Розглянуто процеси збудження пружних хвиль при гальмуванні дислокацій, з`ясовано вплив магнітопружної взаємодії на релаксаційні процеси та поведінку доменних структур поблизу фазових переходів.

Теоретично отримано вирази для сил гальмування дислокацій у антиферомагнетиках типу легка вісь. Показано, що у діелектриках динаміка дислокацій визначається магнітними та фононними силами гальмування, і проведено порівняння залежності цих сил від температури, магнітного поля та швидкості дислокацій. Аналогічний розгляд було зроблено у випадку антиферомагнітного металу. Отримано вирази для залежності па-раметрів фазових перетворень у багатодоменних антиферомагне-тиках від амплітуди звукового поля. Отримані результати дозво-ляють проаналізувати експериментальні дані, які виміряні за до-помогою використання методик, що реєструють акустичну емісію.

ВИСНОВКИ

1. Експериментально вивчено температурну залежність сили тертя, яка діє на дислокацію, що двійникує, у кальциті. На підставі цієї залежності та відомих даних про величину активаційного об`єму встановлено, що при низьких температурах (163 -- 300 К) визначальну роль у гальмуванні дислокацій відіграє пайєрлсовський механізм гальмування. Цим самим з`ясовано фізичну природу феноменологічного параметру статичної дислокаційної теорії тонких двійників -- S0.

2. За допомогою методу швидкісної кінозйомки вивчено динаміку розвитку пружного двійника під дією зосередженого навантаження та його виходу з кристалу, коли відсутня зовнішня напруга (під дією сил поверхневого натягу). Установлено, що при малих швидкостях зростання чи скорочення двійника (1 см/с 10 см/с) рух має термоактиваційний, а при великих швидкостях (10 см/с 102 см/с) -- в`язкий характер.

3. Експериментально визначено параметри дислокаційної теорії динамічної поведінки пружного двійника -- константу дeмпфірування В, енергію активації U, активаційний об`єм , і показано можливості застосування цієї теорії для опису динамічної поведінки двійника у діапазоні великих і малих швидкостей руху.

4. Виявлено аномалію температурної залежності (в інтервалі температур 243 -- 723 К) константи дeмпфірування дислокацій, що двійникують, яка полягає у тому, що її значення нe збільшується із зростанням температури, як це повинно було б бути у випадку фононного механізму гальмування, а експоненційно зменшується. Це свідчить про те, що визначальний механізм гальмування дислокацій, які спричинюють двійникування, у дослідженому інтервалі температур та швидкостей обумовлений перебігом релаксаційних процесів, які стимульовано рухом дислокацій.

5. Розроблено методику синхронної реєстрації руху скупчення дислокацій, що двійникують, за допомогою швидкісної кінозйомки та сигналів акустичної емісії. Застосування цієї методики дозволило поглибити уявлення про динаміку дислокацій, що двійникують, та про фізичну природу звукового випромінювання.

6. Показано, що звукове випромінювання, яке генерується рухом скупчення дислокацій, що двійникують, спостерігається тільки при великих швидкостях руху дислокацій (10 см/с 102 см/с), коли він має в`язкий характер. Максимум акустичної емісії спостерігається при максимальних швидкостях руху дислокацій, а амплітуда її сигналу пропорційна швидкості дислокацій.

7. Експериментально виділено перехідне випромінювання звуку дислокацій, що двійникують, при їх виході на поверхню кристала, та виявлено зону формування перехідного випромі-нювання, розміри якої збігаються з теоретично розрахованими.

8. Установлено, що при зміні знаку дислокацій, які виходять на поверхню кристала, спостерігається і зміна полярності сигналу акустичної емісії. Знак сигналу звукової емісії визначається знаком тензора густини потоку дислокацій, що дозволяє при наявності даних про звукову емісію зробити висновки про те, зростає чи зменшується пластична деформація пружним двійникуванням кристалу з часом.

9. Експериментально реалізовано умови реєстрації акустичної емісії, при яких на фоні сигналу від скупчення дислокацій вдалося спостерігати імпульси акустичної емісії, які генеруються окремими дислокаціями при їх виході на поверхню кристалу.

10. Показано, що інтенсивна акустична емісія при анігіляції дислокацій, що двійникують, спостерігається на останньому етапі зникнення двійника. Експериментально вивчено кутову та просторову залежності анігіляційного випромінювання звуку, які добре узгоджуються з теорією.

11. Досліджено процеси утворення і поширення пружних коливань у магнітовпорядкованих кристалах з дефектами кристалічної структури (дислокації) та магнітної структури (домени) у зв`язку з аналогією між пружними двійниками і магнітними двійниками (доменами). Отримано вирази для сил гальмування дислокацій у антиферомагнетиках типу легка вісь. Показано, що у діелектричних антиферомагнетиках динаміка дислокацій визначається співвідношенням між силами магнонного та фононного гальмування, які по різному залежать від температури, зовнішнього магнітного поля і швидкості дислокацій, що добре узгоджується з експериментальними даними.

12. Досліджено внесок доменних стінок у процеси поширення та зародження звукових хвиль в антиферомагнетиках у проміжному стані. Обчислено величини зміщення магнітних полів та температур фазових переходів, що викликаються гіперзвуком.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бойко В.С., Гарбер Р.И., Кившик В.Ф. Температурная зависимость силы трения, действующей на двойникующую дислокацию // ФТТ. - 1970. - Т.12, №11. - С.3198-3201.

2. Бойко В.С., Гарбер Р.И., Кившик В.Ф. Динамика исчезновения упругого двойника // ФТТ. - 1974. - Т.16, №3. - С.591-593.

3. Синхронная регистрация перемещения дислокаций и генерируемого ими звукового излучения / В.С.Бойко, Р.И.Гарбер, В.Ф.Кившик, Л.Ф.Кривенко // ФТТ. - 1975. - Т.17, №5. - С.1541-1543.

4. Бойко В.С., Кившик В.Ф., Кривенко Л.Ф. Условия регистрации импульсов акустической эмиссии, генерируемых при выходе на поверхность отдельных дислокаций // ЖЭТФ. - 1982. - Т.82, №2. - С.504-508.

5. Бойко В.С., Гарбер Р.И., Кившик В.Ф. Исследование температурной зависимости силы трения, действующей на двойникующую дислокацию // Физические процессы пластической деформации при низких температурах. - Киев: Наукова думка. - 1974. - С.267-272.

6. Бойко В.С., Кившик В.Ф. Аномалия температурной зависимости константы демпфирования двойникующей дислокации // ФТТ. - 1983. - Т.25, №3. - С.722-726.

7. Бойко В.С., Гарбер Р.И., Кившик В.Ф. Динамика развития двойника под сосредоточенной нагрузкой // ФТТ. - 1975. - Т.17, №12. - С.3655-3657.

8. Экспериментальное исследование переходного излучения звука дислокациями при их выходе на поверхность / В.С.Бойко, Р.И.Гарбер, В.Ф.Кившик, Л.Ф.Кривенко // ЖЭТФ. - 1976. - Т.71, №2(8). - С.708-713.

9. Исследование акустической эмиссии, сопровождающей аннигиляцию дислокаций и их выход на поверхность / В.С.Бойко, Р.И.Гарбер, В.Ф.Кившик, Л.Ф.Кривенко // Физика пластичности кристаллов. Тезисы докл. конференции 4-7 октября 1976 г. - ФТИНТ. - 1976. - С.58-59.

10. Теоретическое и экспериментальное исследование динамики упругого двойника / В.С.Бойко, Р.И.Гарбер, В.Ф.Кившик, Л.Ф.Кривенко // Физика пластичности кристаллов. Тезисы докл. конференции 4-7 октября 1976 г. - ФТИНТ. - 1976. - С.87.

11. Бойко В.С., Кившик В.Ф., Кривенко Л.Ф. Экспериментальное исследование звукового излучения при аннигиляции дислокаций в кристалле // ЖЭТФ. - 1980. - Т.78, №2. - С.797-801.

12. Бойко В.С., Кившик В.Ф., Кривенко Л.Ф. Распределение дислокаций в движущемся скоплении и генерируемая ими акустическая эмиссия // ФТТ. - 1984. - Т.26, №6. - С.1625-1629.

13. Кившик В.Ф., Клепиков В.Ф. Торможение дислокаций и акустическая эмиссия в магнетиках // ВАНТ. Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. - 1998. - №1(2). - С.102-105.

14. Кившик В.Ф., Клепиков В.Ф. Особенности акустической эмиссии в материалах с макродефектами типа доменных границ // ВАНТ. Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. - 1998. - №1(2). - С.106-108.

15. Акустическая эмиссия как проявление динамических явлений в твердых телах / В.В.Брюховецкий, В.Ф.Кившик, В.Ф.Клепиков, Р.И.Кузнецова // Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования. Элементная база и комплектующие для приборов НК. Подготовка специалистов в сфере НК и ТД. Сб. научн. трудов Междунар. научно-техн. конф. 16-19 марта 1998 г. - Харьков, 1998. - С.228-230.

16. Кившик В.Ф., Клепиков В.Ф., Кузнецова Р.И. Фазовые и структурные превращения как источник акустической эмиссии // Металлы и сплавы: Фазовые превращения, структура, свойства. Тезисы докл. Мемориального симпозиума академика В.Н.Гриднева 21-25 сентября 1998 г. - Киев: ИМФ. - 1998. - С.28.

Размещено на Allbest.ru