Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1 Локализация пластической деформации в монокристаллах фторида бария при повышенных температурах й Н.П. Скворцова Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук, 117333 Москва, Россия E-mail: skvor@ns.crys.ras.ru (Поступила в Редакцию 25 января 2005 г.) Экспериментально изучалось распределение деформации в кристаллах BaF2 после испытания их на сжатие вдоль [110] и [112] с постоянной скоростью деформации в интервале температур T =(0.22-0.77)Tm. Установлено, что при T > 0.5Tm в деформированных образцах наблюдается сильная локализация пластической деформации в узких зонах, где сдвиговая деформация достигает сотен процентов. С ростом температуры степень локализации увеличивается. Идентифицированы системы активного скольжения {001} 110, вдоль которых ориентированы микрополосы локализованного сдвига. Обнаружено явление прерывистой текучести Ч скачка деформирующих напряжений, коррелирующие с образованием зон интенсивного сдвигообразования.

PACS: 62.20.Fe, 62.20.Hg 1. Введение четырехточечный изгиб при T = 0.27Tm. На этом фоне представляется целесообразным провести серию высоВ последние годы большой интерес вызывает явле- котемпературных испытаний на сжатие этих кристаллов с целью экспериментального изучения распределения ние, известное как высокотемпературная локализация деформации в деформированных кристаллах, а также пластической деформации. Это явление заключается в деформационном расслоении кристаллов при темпера- исследования физических условий проявления высокотемпературной неустойчивости пластического течения.

турах выше 0.5Tm (Tm Ч температура плавления) на В результате экспериментов было установлено, что локальные высокодеформированные области, названные в [1] полосами локализованного сдвига (ПЛС), вну- при повышенной температуре T > 0.5Tm в кристалтри практически недеформированной матрицы. Величи- лах BaF2 наблюдается очень сильная локализация пластической деформации в узких микрополосах сдвига, на локальной сдвиговой деформации в ПЛС достигает ориентированных вдоль активных систем скольжения.

103% и выше при общей средней деформации образца К моменту выполнения настоящей работы данные о поменее 10%. Наиболее важные результаты по изучению добных исследованиях в ЩЗГК кристаллах в литературе высокотемпературной неустойчивости и связанной с отсутствовали.

ней локализации пластической деформации получены на щелочно-галоидных [1Ц12], сегнетоэлектрических [5,13] и интерметаллических кристаллах [4].

2. Методика эксперимента Настоящая работа посвящена исследованию высокотемпературной деформации другого класса ионных Использовались монокристаллы BaF2, выращенные кристаллов Ч- щелочно-земельно-галоидных (ЩЗГК) методом Стокбаргера в вакууме, с размером блоков кристаллов фторида бария. Эти кристаллы имеют ре- 1 mm. Содержание в кристаллах катионных примесей шетку флюорита и обладают хорошей спайностью Mg, Fe, Pb, Mg, Si, Sr, Ca, по данным спектрального по плоскостям {111}. Кристаллы BaF2 широко при- анализа, составляло < 1 10-3 wt.%. Из больших мономеняются в технике в качестве быстродействующих кристаллов вырезались образцы размером 336mm и радиационно-прочных сцинтилляционных детекторов двух кристаллографических ориентаций для испытаний для позитронно-эмиссионной томографии, ядерной кало- на сжатие. Боковые стороны образцов, ориентированных риметрии, -спектроскопии [15]. Механические свойства вдоль [110], параллельны плоскостям {111} и наклоэтих кристаллов изучались в работах [16,17]. В[16] опре- нены под углом 7032 друг к другу. Боковые стоделены первичные системы скольжения {001} 110 при роны образцов, ориентированные вдоль [112], попарсжатии кристаллов BaF2, ориентированных вдоль [110], но параллельны плоскостям {110} и {111}. Исходная при температуре T = 0.3Tm. Авторами работы [17] си- плотность дислокаций, выявляемых на плоскостях скостематически изучены механические свойства кристал- ла {111}, составляла 108 m-2. Механические испыталов BaF2 двух ориентаций Ч [110] и [112] Чв широком ния образцов проводились на машине ДИнстрон 1102У диапазоне температур T =(0.21-0.82)Tm, изменения в со скоростью деформации 10-4 s-1 в интервалах темдислокационной структуре кристаллов на начальной ста- ператур T = 343-1193 K (0.22-0.77)Tm на воздухе в дии деформации ( <1%) вблизи предела упругости y, специальном реверсе с рубиновыми пуансонами. Вреа также подвижность отдельных дислокаций в опытах на мя подогрева образцов до температуры испытаний не Локализация пластической деформации в монокристаллах фторида бария... превышало 25 min. Температура испытаний поддерживалась с точностью 2%. Параметры скачкообразной деформации определялись на стадии установившегося течения по диаграммам () так же, как в [12]. Средняя глубина скачков нормировалась на величину приложенного напряжения. Ошибки измерений прилагаемой к образцу нагрузки и уменьшения продольного размера (высоты) образца были не более 0.3 и 1% соответственно.

Поверхностный деформационный рельеф деформированных образцов исследовался методами оптической и интерференционной микроскопии. ПЛС идентифицировались по ступеням скольжения на боковых гранях образца в наклонном освещении на микроскопе ДNeophotУ.

Величина локальной сдвиговой деформации в ПЛС Рис. 2. Диаграммы сжатия монокристаллов BaF2 при различных температурах. T, K: 1 Ч 343, 2 Ч 373, 3 Ч 473, вычислялась по формуле loc = hs/d, где hs Ч высота 4 Ч 683, 5 Ч 773, 6 Ч 883, 7 Ч 1113, 8 Ч 1193.

ступеньки вдоль направления сдвига на поверхности Горизонтальными линиями возле кривых показаны значения кристалла, d Ч ширина микрополосы.

предела упругости y, соответствующие началу отклонения диаграммы () от линейности.

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение нистую, разветвляющуюся и расщепляющуюся форму.

Микроскопические исследования за поверхностью деПри сжатии вдоль [110] действуют четыре первичные формированных образцов показали, что деформация в системы с одинаковым ориентационным множителем них после нагружения при повышенных температурах Шмида 0.354 [16] (в каждой плоскости скольжения T > 0.5Tm распределена неоднородно, а именно наблюдействуют две системы с двумя разными векторами Бюрдается сильная локализация сдвиговой деформации в герса). При сжатии вдоль [112] действуют три первичные узких зонах шириной примерно несколько микрометров.

системы с множителем 0.47 (одна система) и 0.Локальные сдвиги (микрополосы) проходят через весь (две системы) [17] (на рис. 1, a указана только главная объем образца и ориентированы вдоль систем активсистема скольжения (001)[110], чтобы не загромождать ного скольжения {001} 110 (рис. 1, a). Следы указанрисунок). С ростом деформации число сдвигов (микроных сдвигов проявляются в виде небольших ступенек полос) увеличивается, и после деформации 40% они = (складок), ширина которых соответствует ширине ПЛС, расположены примерно равномерно по всему образцу.

на боковых сторонах, параллельных вектору Бюргерса С ростом температуры число сдвигов в ПЛС уменьподвижных дислокаций (рис. 1, b). На гранях, содержашается, а величина локальной сдвиговой деформации щих выходы винтовых дислокаций, макроскопические увеличивается. Поскольку ширина микрополос d обычно ступени, соответствующие этим сдвигам, имеют волсоставляет несколько микрометров, величина сдвиговой деформации в ПЛС loc достигает 300% при средней деформации образца = 15%.

На рис. 2 приведены типичные диаграммы сжатия монокристаллов BaF2 для различных температур от до 1193 K. Кривые деформации () кристаллов, ориентированных вдоль [110] и [112], совпадают. С ростом температуры от 343 до 473 K протяженность области пластической деформации увеличивается примерно на порядок с одновременным уменьшением напряжения течения. В данном температурном интервале образцы деформируются хрупко с образованием большого числа микротрещин по плоскостям {111}. Величина предела прочности f составляла 45 MPa при температуре 473 K (0.3Tm), когда на кривой деформации появлялась заметная область пластичности (кривая 3 на рис. 2).

Согласно [18], за характеристику прочности f принято Рис. 1. Кристаллография скольжения по системе (001)[110] (a) сопротивление разрушению (максимальное деформируи схематическое изображение локализованного сдвига (b) в ющее напряжение, вызывающее разрушение образца).

кристаллах BaF2, ориентированных вдоль [112]. b Чвектор Бюргерса. Следует отметить, что при T < 0.4Tm прочность криФизика твердого тела, 2006, том 48, вып. 72 Н.П. Скворцова сталлов f в [17] была примерно в 2 раза выше предела прочности наших образцов. При T > 673 K (0.43Tm) резко изменяется характер разрушения деформированных образцов от хрупкого к вязкому и увеличивается величина предельной пластической деформации до разрушения. В принятых условиях опытов образцы деформировались без разрушения до степеней деформации >40%.

Макроскопически высокотемпературная локализация начинает проявляться при T > 773 K (0.5Tm). Образование локальных сдвигов происходит на стадии установившегося течения в отсутствие деформационного упрочнения. Переход к локализованному течению в Рис. 4. Температурная зависимость предела упругости y (T ) ПЛС отмечается на деформационной кривой небольдля кристаллов BaF2.

шим ДзубомУ текучести, величина которого составляет 13% от значения предела текучести при T > 0.7Tm (кривые 7, 8 на рис. 2). Появление высокотемпературкорреляция между колебаниями напряжений на криного ДзубаУ текучести связано с локальной потерей вых деформации и числом микрополос локализации.

пластической устойчивости, размножением дислокаций Образование больших локальных сдвигов связано с и переходом к процессам, развивающимся с большими активацией процессов быстрого лавинообразного движескоростями [7,10].

ния близкорасположенных дислокаций. Таким образом, Характерной особенностью деформационных кривых можно считать, что скачки деформирующих напряжений при повышенных температурах является образование ДдекорируютУ зоны интенсивного течения в ПЛС, а периодических скачков деформирующего напряжения их величина (амплитуда) может в какой-то степени (рис. 3), что подтверждает неоднородный характер пласлужить мерой сдвиговой деформации loc в отдельной стической деформации. На начальных участках криПЛС. Для сравнения отметим, что, по нашей оценке, вых () средние значения относительных амплитуд амплитуда скачков напряжений на деформационных кри / скачков, соответствующих локальным сдвигам вых кристаллов рутила TiO2 [19] в результате динав ПЛС, изменяются в пределах от десятых долей промического деформационного старения в случае эффекцета до 5% в интервале температур T = 773-1193 K та ПортевенаЦЛе Шателье (локализации деформации на (0.5-0.77Tm) (рис. 3, aЦc). С ростом деформации амплиуровне нескольких процентов) составляет 0.1-0.3% туда скачков растет, и при >30% величина / при T = 1325 K (0.63Tm).

достигает десятков процентов (рис. 3, d). Обнаружена На рис. 4 показана температурная зависимость напряжения y (предела упругости, отмеченного на рис. 2 горизонтальными линиями возле кривых течения). Условно можно выделить три области: резкое экспоненциальное уменьшение y при T < 573 K (0.3Tm), постоянство значения y (атермическая область) в интерва ле температур T 573-973 K (0.4-0.6Tm) или даже = некоторое (до 30%) возрастание и вновь уменьшение напряжения при T > 0.6Tm. Подобная немонотонность зависимости y (T ), а именно появление максимума при температуре 0.6Tm наблюдается также для кристаллов LiF [9], CaF2 [20]. Природа наблюдаемого максимума пока не объяснена.

В настоящей работе дислокационная структура микрополос локализованного сдвига не исследовалась.

Однако, согласно нашим экспериментальным данным, полученным на кристаллах LiF [8,12], предвестником перехода к неустойчивому течению в ПЛС являются спонтанная перестройка дислокационной субструктуры в зоне интенсивного сдвигообразования и формирование Рис. 3. Примеры записи участков деформационных кривых на характерной низкоэнергетической мелкозернистой мистадии установившейся скачкообразной деформации в начале кроструктуры с размером субзерен примерно на порядок кривых () при температурах 773 (a), 883 (b) и 1193 K (c), а меньше размера дислокационных блоков в недеформитакже поздней стадии деформации ( >30%) при температуре 1193 K (d). рованной матрице.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Локализация пластической деформации в монокристаллах фторида бария... Таким образом, полученные результаты свидетель- [15] Е.М. Воронкова, Б.Н. Гречушников, Г.И. Дистлер, И.П. Петров. Оптические материалы для инфракрасной ствуют о том, что и в щелочно-земельногалоидных техники. Наука, М. (1965). 335 с.

кристаллах BaF2 с флюоритной структурой при высо[16] T.S. Liu, C.H. Li. J. Appl. Phys. 35, 1, 3325 (1964).

котемпературном деформировании наблюдается локали[17] С.Н. Вальковский, Э.М. Надгорный, В.М. Рейтеров. Пробл.

зация пластической деформации в узких микрополосах, прочности 6, 10 (1970).

величина сдвига в которых достигает сотен процентов.

[18] В.А. Степанов, Н.Н. Песчанская, В.В. Шпейзман. ПрочРазличные явления, сопровождающие высокотемпераность и релаксационные явления в твердых телах. Наука, турную локализацию деформации, такие как деформаЛ. (1984). 245 с.

ционное расслоение и разупрочнение материала, потеря [19] M.G. Blanchin, G. Fontaine, L.P. Kubin. Phil. Mag. A 41, 2, пластической устойчивости и прерывистая текучесть, 261 (1980).

резкое возрастание предельной пластичности и микро- [20] А.А. Урусовская, В.Г. Говорков. Кристаллография 10, 4, разрушение в зонах интенсивного течения ПЛС, переход 525 (1965).

от хрупкого разрушения к вязкому являются отражени- [21] Г.А. Малыгин. ФТТ 37, 1, 3 (1995).

[22] Н.П. Скворцова. Тез. докл. IX Национальной конф. по ем нелинейного поведения деформируемого материала росту кристаллов. Институт кристаллографии РАН, М.

в результате кооперативного взаимодействия различных (2000). С. 603.

дефектов кристаллической решетки. Образование больших кристаллографических сдвигов в деформированных кристаллах представляет собой пример динамической диссипативной системы сильно взаимодействующих дислокаций, в эволюции которой проявляются эффекты пространственной и временной самоорганизации [21].

Исследование критического поведения таких систем в условиях высокотемпературной активной деформации требует дополнительных исследований.

Некоторые результаты работы были представлены на IX Национальной конференции по росту кристаллов ((НКРК) 16Ц20 октября 2000 г., Москва) и опубликованы в материалах конференции [22].

Автор выражает глубокую благодарность В.И. Альшицу за полезное обсуждение результатов работы.

Список литературы [1] Г.В. Бережкова, Н.П. Скворцова, В.Р. Регель, П.П. Перстнев. ФТТ 26, 4, 1074 (1984).

[2] Б.И. Смирнов, Р.С. Чуднова, В.В. Шпейзман. Тез. Докл.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам