WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 5 Эмиссионные процессы, сопровождающие деформирование и разрушение металлов © К.Б. Абрамова, И.П. Щербаков, А.И. Русаков, А.А. Семенов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: abramova.mhd@pop.ioffe.rssi.ru Использование современных физических методов исследования позволяет установить, что разрушение и пластическая деформация металлов сопровождаются эмиссионными процессами, в частности, люминесценцией и эмиссией электронов.

Все исследованные металлы обладают способностью люминесцировать. Интенсивность, длительность и спектр механолюминесценции различаются для разных металлов. Интенсивность определяется механическими и тепловыми характеристиками. Для одного и того же металла интенсивность зависит от количества дислокаций в структуре и скорости нагружения образца. Спектр благородных металлов определяется электронной структурой поверхностных состояний. Динамика механолюминесценции и электронной эмиссии (экзоэмиссии) зависит от скорости изменения напряжений в исследуемых образцах.

Все это позволяет рассматривать механолюминесценцию и экзоэмиссию не только в качестве физических характеристик, но также в качестве возможного метода исследования поверхностных состояний в металлах и кинетики выхода мобильных дислокаций на поверхность, обладающего высоким временным разрешением.

Деформация и разрушение всех твердых тел, диэлек- Для экспериментальной проверки существования татриков, полупроводников, металлов возбуждает в них ких зависимостей были использованы образцы, имеющие ряд неравновесных процессов — эмиссию электронов исходно различную микроструктуру, т. е. концентрацию и ионов, излучение света (механолюминесценцию), из- дислокаций и два различных способа деформации образлучение звука, электромагнитное излучение в радиоча- цов: 1) облучение импульсом лазера с заданной и достотном диапазоне; есть публикации, в которых сооб- статочной энергией; 2) пропускание импульса электрищается о рентгеновском излучении [1–7]. Наименее ческого тока с заданной и достаточной энергией.

изучены эти процессы в металлах, однако накоплены При облучении образцов импульсами лазеров обычно экспериментальные факты и предложено их объяснение. исследуются сопутствующие процессы, возбуждаемые Предлагаемый механизм механолюминесценции метал- непосредственно в облучаемом пятне и вокруг него.

лов заключается в следующем [8,9]. При разруше- При этом участки мишени, не подвергшиеся непосреднии вблизи вершины трещины образуются пластиче- ственному воздействию облучения, также подвергаются ские зоны с высокой концентрацией дислокаций. По- действию напряжений, распространяющихся от облучасле снятия нагрузки происходит дислокационный воз- емого пятна. Использование импульса лазера для исслеврат деформируемого слоя, связанный с аннигиляци- дования эмиссионных явлений, возбуждаемых на тыльей пар дислокаций противоположного знака и с выхо- ной по отношению к облучению стороне, представлядом подвижных дислокаций на поверхность. Реальные ется и удобным экспериментально, и информативным.

дислокации в металлах имеют сложную структуру и Взаимодействие лазерного импульса с поверхностью поэтому их полная аннигиляция маловероятна. В ка- металлической мишени в широком диапазоне энергий, ждой дислокационной реакции возможна аннигиляция в том числе для энергий импульса, меньших порога только отдельных параллельных отрезков. Аннигиля- загорания плазменнго факела, исследовано, например, ция таких отрезков сопровождается выделением зна- в [10,11]. Можно с хорошей точностью рассчитать в чительной энегии, достигающей нескольких электрон- абсолютных величинах временное и пространственное вольт на одно межатомное расстояние вдоль оси. При распределения температуры и напряжений в облучаемой аннигиляции дислокаций в благородных металлах воз- мишени и сопоставить их с возникновением импульсов можно пересечение термов внутренних d-электронов, люминесценции и экзоэмиссии, возбуждаемых на ее локализованных в области ядра дислокаций, с состоя- тыльной стороне, установить минимальные напряжения, ниями свободных s-p зон. Неадиабатические переходы, возбуждающие люминесценцию, экзоэмиссию и подтвервозникающие при пересечении, приводят к появлению дить или установить корреляцию между нагружением и дырок в квазилокальных d-состояниях вблизи дислока- излучением [12].

ций, образующихся в результате дислокационных ре- Сопоставление величин, а также временных и проакций. Отсюда следует, что интенсивность люминес- странственных распределений напряжений и температур ценции должна быть связана с концентрацией дисло- с временными зависимостями эмиссии фотонов (мехакаций в приповерхностном деформируемом слое, а ее нолюминесценции) и электронов (экзоэмиссии) в образдинамика — с динамикой движения дислокаций или цах, в которых они зарегистрированы с их тыльной стонапряжений. роны, позволяет сделать следующие заключения: 1) ди842 К.Б. Абрамова, И.П. Щербаков, А.И. Русаков, А.А. Семенов намика эмиссионных процессов связана с динамикой Настоящие измерения выполнены более подробно напряжений — чем больше скорость изменения напряже- и на качественно новом экспериментальном уровне.

ний, тем больше интенсивность механолюминесценции Во-первых, весь спектр излучения измерялся в одном и экзоэмиссии; 2) механолюминесценция и экзоэмиссия опыте. Во-вторых, измерения проводились в пятистах начинаются тогда, когда напряжения в образце близки к точках спектрального диапазона 5400–8100. В-третьих, пределу текучести материала. измерялся не только непрерывный спектр излучения, В работе [13] установлена зависимость интенсивно- но и линейчатый. Это позволило повысить точность и сти механолюминесценции от исходной микрострукту- надежность получаемых результатов.

ры образца, подтверждающая ее дислокационный ме- Известно, что дислокации с противоположно напраханизм. Однако регистрировалось и сравнивалось ин- вленными векторами Бюргерса, лежащие в одной плоскотегральное излучение. Спектральные измерения излу- сти скольжения, при сближении уничтожают друг друга.

чения ввиду его малой интенсивности не проводились.

Если такие дислокации лежат в разных плоскостях скольДля подтверждения положений дислокационной модежения, то для их аннигиляции требуется переползание.

ли важно проверить существование зависимости спекОтжиг способствует переползанию дислокаций и таким тра механолюминесценции от исходной микроструктуры образом понижается их концентрация. Фотографии миобразца.

кроструктуры отожженных и неотожженных образцов Яркой световой вспышкой сопровождается процесс получены и приведены в работе [13].

деформирования и разрушения проводников [14] в реИз сравнения спектров [16] отожженных и неотожжензультате пропускания по проводникам токов большой ных медных образцов установлено, что интенсивности плотности. Спектр излучения содержит ряд линий и полосы катодолюминесценции и полосы фотолюминесполос, т. е. обширную информацию о системе и диценции меди повторяют друг друга. Это, по-видимому, намике электронных уровней металлического образца, связано с тем, что они возникают вследствие возбукак самого металла, так и отдельных его атомов. В ждения объемных состояний, которые претерпевают маработах [15,16] исследовался спектр излучения, возбулые изменения в процессе отжига. На других участках ждающийся при разрушении медных проводников. Проинтенсивности спектров различаются, т. е. произошли ведена идентификация наблюдаемых полос излучения.

изменения в относительной интенсивности полос люмиВ частности, установлено, что наряду с возбуждением, несценции разной природы. Обсуждаемый в настоящей вызванным энергичными электронами, при разрушении работе участок спектра — это полоса механолюминессильным током возникает свечение, связанное с самим ценции. Как и ожидалось, интенсивность полосы механопроцессом разрушения.

люминесценции при разрушении отожженного образца В описываемых в настоящей статье опытах разрушеоказалась меньше, чем в случае неотожженного. Эти ние медных проводников, имеющих исходно разную мирезультаты подтверждают дислокационную модель мекроструктуру, осуществлялось при пропускании по ним ханолюминесценции: в процессе отжига уменьшилась электрического тока плотностью (0.7-1.0) · 107 A/cm2.

концентрация дислокаций и уменьшилась интенсивность Разрушавшиеся проводники представляли собой отрезки полосы, которая связана с возбуждением дырочных сотехнически чистой медной проволоки марки М0 длиной стояний при неадиабатических переходах, возникающих 70 и диаметром 0.5 mm. Источником энергии служила в момент аннигиляции дислокаций и при выходе дислобатарея конденсаторов емкостью 400 µF, заряженная до каций на поверхность.

1.5 kV. Скорость разрушения составляла V = 1 · 103 m/s, Анализ полученных спектров излучения, возникающедлительность излучения t = 20 µs. Исследуемое излучего при разрушении проводников током большой плотние фокусировалось на входную щель дифракционного ности, позволяет сделать следующие выводы. 1) Измеспектрометра, в фокальной плоскости которого распонение микроструктуры в процессе отжига уменьшает лагался фотоэлектрический линейный преобразователь вероятность возбуждения поверхностных электронных с самосканированием на принципе переноса заряда типа состояний, определяющих возникновение полосы меФПП31Л, сигналы с него поступали в аналого-цифровой ханолюминесценции. 2) Изменение микроструктуры в преобразователь и затем в ЭВМ. Это позволяло пропроцессе отжига не влияет на объемные электронные водить измерения спектральных характеристик вспышки состояния, определяющие возникновение полос катодоизлучения в диапазоне 5400–8100 со спектральной люминесценции и фотолюминесценции.

разрешающей способностью 6 при разрушении одного Таким образом, результаты всех описанных экспериобразца.

ментов подтверждают дислокационный механизм мехаРанее измеренный непрерывный спектр излучения, нолюминесценции и позволяют предполагать аналогичсопровождающий МГД разрушение меди, был измерен ную природу экзоэмиссии электронов при пластической в более широком диапазоне (4500–9000 ). Однако издеформации металлов.

мерения проводились лишь в 20 точках этого спектрального диапазона и для получения среднего значения Работа выполнена при поддержке Российского фонда величины интенсивности в каждой точке требовалось фундаментальных исследований (грант № 97-02-18097) разрушить десять образцов. и ФЦП ”Интеграция” (проект № K0854).

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Эмиссионные процессы, сопровождающие деформирование и разрушение металлов Список литературы [1] Н.А. Кротова, В.В. Карасев. ДАН СССР 92, 607 (1953).

[2] Н.Р. Валуев, В.И. Еременко, Н.Н. Никоненков, А.А. Тупик.

Письма в ЖТФ 11, 7, 401 (1985).

[3] О.В. Гусев. Акустическая эмиссия при деформировании монокристаллов тугоплавких металлов. Наука, М. (1982).

[4] К.Б. Абрамова, И.П. Щербаков. ЖТФ 64, 9, 76 (1994).

[5] A.J. Walton. Advances in Physics 26, 6, 887 (1977).

[6] В.А. Клюев, А.Г. Липсон, Ю.П. Топоров, А.Д. Алиев, А.Е. Чалых. Письма в ЖТФ 10, 18, 1135 (1984).

[7] Т.Я. Гораздовский. Письма в ЖЭТФ 5, 3, 78 (1967).

[8] М.И. Молоцкий. ФТТ 20, 6, 1651 (1978).

[9] M.I. Molotskii. Electronic Exitation During the Plastic Deformation and Fracture of Cristals. Chemistry Reviews. 13, part. 3, 1 (1989).

[10] С.И. Анисимов, Я.О. Имас, П.С. Солонов, Ю.В. Ходыко.

Действие излучения большой мощности на металлы. Наука, М. (1970). 270 с.

[11] Дж. Рэди. Действие мощного лазерного излучения. Мир, М. (1974). 486 с.

[12] К.Б. Абрамова, А.И. Русаков, А.А. Семенов, И.П. Щербаков. ФТТ 40, 6, 957 (1998).

[13] К.Б. Абрамова, И.П. Щербаков, И.Я. Пухонто, А.М. Кондырев. ЖТФ 66, 5, 190 (1996).

[14] К.Б. Абрамова, Б.П. Перегуд. ЖТФ 41, 10, 2216–(1971).

[15] К.Б. Абрамова, Б.П. Перегуд, Ю.Н. Перунов, В.А. Рейнгольд, И.П. Щербаков. Опт. и спектр. 58, 4, 809 (1985).

[16] М.И. Молоцкий, Б.П. Перегуд. ЖТФ 51, 3, 618 (1981).

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.