Экспериментальное исследование откольного разрушения ионных кристаллов, облучаемых сильноточным электронным пучком тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

. 'О а

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

САВЕНКО ОЛЕГ МИХАЙЛОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКОЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ, ОБЛУЧАЕМЫХ СИЛЬНОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ОМСК -1995

Работа выполнена в Омском государственном университете.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

додент Геринг Г.И. Официальные оппоненты: доктор -физико-математических наук,

профессор Алексеев П.Д. доктор физико-математических наук, профессор Кривобоков В.П.

Ведущая организация: НИИ математики и механики при Санкт-Петербургском университете, г. Санкт-Петербург Защита диссертации состоится ' С ' а^-и^ЛЛ 1995 г. в /Гчас, на заседании специализированного Совета К 064.36.03 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Омском государственном университете (644077, г. Омск, проспект Мира, 55а).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета.

Автореферат разослан ' ^ <-¿¿¿^/31995 г.

Ученый секретарь

специализированного совета —

кандидат физико-математических наук Сергеев В.Н.

» >

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Знание прочностных характеристик различных конструкционных материалов является необходимым условием для успешного решения множества инженерных задач. Понимание про- , цессов, происходящих в твердых телах под действием различных по величине и длительности механических напряжений, позволяет прогно-. зировать поведение конструкционных материалов в тех или иных условиях эксплуатации. Появление мощных источников ионизирующего излучения: импульсных лазеров и сильноточных ускорителей заряженных частиц, стимулировало развитие физики мощных радиационных воздействий. Уже в первых работах, посвященных изучению поведения : конденсированных сред при лазерном и электронном импульсном воздействии, было обнаружено хрупкое разрушение твердых тел. Причина такого разрушения связана с возникновением значительных механиче-., скдх напряжений в облученных материалах. Возникающие давления имеют импульсный характер и распространяются по веществу в виде волн деформаций. Максимальные значения напряжений в таких волнах могут достигать десятков тысяч килобар при длительности импульса от 10~4 с до 10~9 с. Для описания процесса разрушения, вызванного воздействием механических напряжений длительностью больше 10~6 с, широко используется термофлуктуационная (кинетическая) концещщя разрушения твердых тел. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что при меньшей длительности воздействующих лм-пульсов, зависимость разрушения твердых тел от времени воздействия разрушающих напряжений изменяется. По современным представлениям разрушение рассматривается как сложный многостадийный процесс. Поведение различных материалов на первых, предразрушающих стадиях недостаточно изучены, а исследования, посвященные возникновению и эволюции структурных дефектов в поле растягивающих напряжений, малочисленны. Мало изучена и кинетика образования и роста поверхности возникшей трещины при высокоскоростном нагру-жении. Вопрос о том, какие физические характеристики твердого тела определяют процесс образования динамических разрывов и прочность материала, нагружаемого короткими импульсами механических напряжений, остается до сих пор открытым. Существующие теоретические модели, рассматривающие кинетику зарождения и роста субмикропо-вреждений, из-за сложности задачи используют сильные приближения, а выбор основного уравнения материала проводится, как правило, для

конкретных условий нагружения. Таким образом, исследование поведения твердых тел под действием ультракоротких импульсов напряжений является задачей весьма актуальной, что определяет необходимость проведение дальнейших экспериментальных исследований в этой области.

Диссертационная работа выполнена в Омском государственном университете согласно координационному плану АН СССР на 19861990 г. по направлению Радиационная физика твердого тела по теме "Радиационно-акустическпе методы исследования физико-механических свойств конденсированных сред" ( г.р. 0186. 0053025 ).

Цель работы. Комплексное экспериментальное исследование закономерностей откольного разрушения ионных кристаллов в поле упругих напряжений длительностью менее 10~7 с, возбуждаемых сильноточным электронным пучком.

Объект и методы исследования. Работа выполнена на модельных в радиационной физике щелочно-галоидных кристаллах: NaCl, KCl, KBr.

Образцы облучались электронным пучком сильноточного ускорителя ГИН-600. Параметры электронного пучка регулируются в пределах: 2 - 25 не ; 0.3 - 0.5 Мэв ; 1 - 2000 А/см2 ,

Методы исследования включают измерения амплитудно-временных параметров импульсов напряжений, возникающих в ионных кристаллах при электронном облучении, динамическое фотометрирование, оптическую и электронную микроскопию поверхности разрушения.

Научная новизна:

1. Установлено, что разрушение ионных кристаллов имеет ярко выраженный пороговый характер и соответствует критерию предельных напряжений. Прочность материала остается неизменной вплоть до температур 650 К.

2. Показано, что на первой предразрушающей стадии отсутствует явная зависимость концентрации и распределения дислокаций от величины приложенных напряжений и числа нагружений.

3. Обнаружено образование новых структур разрушения, состоящих из пор-пустот. Методами спектрального анализа определен тип примеси, ответственный за процесс порообразования.

4. Впервые экспериментально исследована кинетика откольного раз-

рушения ионных кристаллов. Показано, что время развития от-

» »

копа коррелирует со временем существования растягивающих напряжений разрушающей величины, а максимальная скорость роста трещин не превосходит релеевского барьера.

5. Установлено, что одним из механизмов образования пор является захлопывание хрупких трещин под действием вторичного нестационарного волнового поля.

Практическая ценность. Полученные в работе экспериментальные результаты и методические разработки могут быть использованы при проведении измерений и прогнозировании поведения различных материалов в условиях интенсивного импульсного нагружения на первой предразрушающей стадии.

Качественная модель образования поверхности множественного откола может быть использована при изучении и эксплуатации различных кристаллических материалов в условиях импульсного нагружения.

Результаты исследований структур разрушения ионных кристаллов, содержащих примесь определенного типа, могут быть использованы при развитии теоретических представлений о поведении твердых тел под нагрузкой.

Личный вклад автора состоит в постановке задачи, разработке методик, проведении экпериментальных исследований и анализе полученных результатов.

Защищаемые положения:

1. На предразрушающей стадии концентрация и распределение дислокаций не зависит от величины приложенных напряжений субми-кросекундной длительности, эффекты накопления отсутствуют, а образование и движение дислокаций начинается при тех же напряжениях, что и возникновение структур разрушения.

2. Откольное разрушение имеет пороговый характер, соответствует критерию предельных напряжений вплоть до высоких температур.

3. Интенсивное порообразование в ионных кристаллах при динамическом нагружении связано с наличием примеси двухвалентных металлов М§, РЬ и групп ОН

4. Используемая в работе конструкция пьезоэлектрического датчика давления-детектора продольных акустических колебаний и схема нагружения, обеспечивающая однократность воздействия акустических импульсов на исследуемые материалы, повышают точность проводимых измерений.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на IV Всесоюзном симпозиуме по импульсным давлениям (Москва, 1983); на VI Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (Томск, 1988); на II Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Свердловск,1991); 8-ой конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск,1993).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Изложена на 139 страницах машинописного текста, иллюстрирована 40 рисунками. Список цитируемой литературы содержит 206 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность проблемы, преимущества откольного разрушения с точки зрения проведения исследований прочности твердых тел, сформулировала цель работы, научная новизна, практическая оддность и основные защищаемые положения.

В первой главе проводится обзор и анализ литературных данных по различным методам возбуждения импульсных напряжений с плоским волновым фронтом. На основе анализа сделан вывод о предпочтительном использовании метода, в котором генерация акустических импульсов обусловлена взаимодействием сильноточного пучка электронов с исследуемым веществом. Биполярная форма импульса позволяет использовать явление удвоения амплитуды растягивающих напряжений у тыльной поверхности облученного образца, возникающего в результате интерференции падающего и отраженного от этой поверхности акустических импульсов. Малые размеры этой области, по сравнению с размерами нагружаемого образца, в значительной степени облегчают решение задачи о взаимодействии импульса напряжений определенной длительности и формы с конкретными структурными особенностями нагружаемой среды. Далее рассмотрен вопрос об импульсном деформировании материала плоскими волнами напряжений.

В условиях импульсного воздействия, когда значительные по величине деформации происходят за малое время (10~4-10-9 с), необходимо учитывать силы инерции среды, связанные с конечностью скорости передачи взаимодействия. В этом случае по материалу из области энерговыделения распространяются волны напряжений-деформации. При распространении импульсов напряжений с амплитудой, превышающей

предел текучести, происходит значительное изменение формы, длительности и амплитуды импульса.

Рассмотрена структура волнового поля, ограниченного акустического пучка. Обращено внимание на то, что фронт волны является условно плоским. Величина давления и фазы не одинакова в разных точках фронта. Для адекватного описания реакции нагруженного материала необходимо точное знание пространственно-временных параметров воздействующих напряжений. Проведенный анализ работ показывает, что независимо от типа и характера волновых процессов, возбуждаемых в твердом теле внешним воздействием, невозможно с высокой точностью рассчитать основные параметры разрушающих напряжений для конкретной точки нагруженного образца. Сравнительный анализ методов регистрации параметров импульсных напряжений показал, что наиболее достоверными являются метод лазерной интерферометрии и метод, в основе которого заложено использование апериодического пьезоэлектрического датчика давления. Сочетание этих методов позволяет проводить диагностику параметров импульсных напряжений практически во всем диапазоне значений измеряемых длительности и амплитуды.

Анализ существующих критериев прочности твердых тел позволил сделать вывод о том, что все они могут быть сведены к трем основным: критерию критического напряжения, критического импульса и критического действия. Наиболее широкое распространение получила термофлуктуационная (кинетическая) концепция прочности для разрушающих напряжений длительностью более Ю-8 с. При значениях Ю-6 с на кривой долговечности появляется динамическая ветвь. Согласно литературным данным, в этих условиях время до разрушения не зависит от структуры материала, температуры и уровня приложенных напряжений. Какова природа этого явления, зарегистрированного в самых различных по своей структуре и типу материалах, и чем определяется абсолютное значение временной границы применимости кинетической концепции, на сегодняшний день остается вопросом до конца не изученным..

Далее расмотрен процесс разрушения на второй стадии, стадии образования и роста трещины. Показано, что существует тесная связь между процессом роста трещины и эволюцией различных дефектов структуры материала. Указана специфика поведения дислокаций как для хрупких, так и для пластичных сред. Подчеркнута зависимость да-

намйки погтя дислокаций ох скорости движения трещины. Возникновение микротрещин и микрополостей перед растущей трещиной связывается с объединением дислокаций, испущенных вершиной трещины или вышедших к ней из окружающего объема. Вид поверхности растущей трещины зависит как от длительности воздействующих напряжений, так и от скорости роста трещины. При высокоскоростном нагружении образуются трещины, имеющие вид аксиально-симметричных розеток с развитой поверхностью лучевого типа.

Сверхбыстрое импульсное воздействие на твердое тело порождает структуры разрушения, которые могут существенно отличаться от аналогичных структур, появившихся в результате статического или квазистатического нагружения исследуемого материала. Под действием импульсов малой длительности и значительной амплитуды твердое "тело находится в сильно возбужденном неравновесном состоянии, а релаксация упругой энергии происходит с образованием специфических структур разрушения. В цикле работ, посвященных описанию процесса возникновения диссипативных структур под действием внешних' потоков излучения (Емельянов В.И.), показано, что в твердом теле может быть создана высокая концентрация неравновесных вакансий. Если плотность вакансий превышает определенное критическое значение, то монотонное распределение становится неустойчивым и образуются сложные пространственно-периодические структуры. Визуальное сходство периодических структур, возникших на поверхности металлов при лазерном воздействии, и структур разрушения, образовавшихся при воздействии ультракоротких механических импульсов, позволяет сделать предположение о сходстве механизмов образования периодических структур в том и другом случае. Проведенные в работе [11] численные расчеты показали, что в изотропном твердом теле неоднородное иоле упругой деформации может вызывать пространственную модуляцию скорости генерации вакансий и их деформационно-пндуцированный дрейф. Это определяет образование пространственно-периодического поля концентраций вакансий. Пропорционально градиенту концентраций вакансий, появляются деформирующие среду силы. Возникает вадансионно-деформационная неустойчивость, приводящая к образованию кольцевых периодических структур разрушения (ПСР).

1 В результате проведенного в первой главе анализа работ, посвященных изучению прочности твердых тел, были определены основные цели и-задачи данной работы.

В ходе работы решались следующие задачи:

1. Разработка методики и схемы нагружения исследуемых образцов,1 позволяющие создавать в нужной области исследуемого образца растягивающие напряжения с требуемыми параметрами. ■ ' ' '

2. Усовершенствование существующих методов регистрации параметров импульсных напряжений и разработка схемы измерений, позволяющей с высокой точностью регистрировать параметры разрушающих напряжений.

3. Исследование доведения ионных кристаллов KCl, KBr, NaCl под действием импульсов растягивающих напряжений различной амплитуды; и длительностью менее 10~7 с на первой стадии разрушения.

4. Изучение температурной зависимости прочностных характеристик ионных кристаллов при данном способе нагружения.

5. Исследование динамики роста хрупких трещин в зависимости от условий нагружения, с целью выяснения основного механизма образования периодических структур разрушения.

Во второй главе описаны используемые в работе методика и тех- . ника эксперимента. Приведены основные параметры используемого ■ импульсного ускорителя. Обосновывается необходимость однократного нагружения исследуемых образцов, исключающая эффекты накопления, способные существенно изменить характер разрушения.

Для обеспечения однократного воздействия на исследуемую среду использовалась схема нагружения, изображенная на рис.1. Это достигается использованием акустической ловушки 3, изготовленной из того ■ же материала, что и исследуемый образец. Ловушка имела форму конуса с цилиндрическим каналом 4 диаметром 1.5 вдоль оси. Однородный электронный пучок через коллимирующее отверстие 1 диаметром 5 мм попадает на образец 2 и возбуждает в нем акустический импульс. Распространяясь по образцу, акустический импульс частично проникает в ловушку 3 и рассеивается в ней. В области свободной поверхности 5, ограниченной цилиндрическим каналом 4, импульс отражается назад в образец и также быстро рассеивается. Возникает область интерференции, в которой амплитуда растягивающих напряжений удваивается. ■ '

Для адекватного описания разрушения необходимо точное знание профиля этих напряжений. Наиболее точными считаются метод лазерной интерферометрии и метод, использующий пьезодатчшс давления. Из-за недостаточной чувствительности метод лазерной интерферометрии в данной работе использовался только при калибровке пьезодат-

чика давлений. Отличительной особенностью конструкции используемого в данной работе датчика (рис.2.) является то, что в акустический тракт датчика включен рабочий объем, заполненный жидкостью; Слой жидкости выполняет роль детектора продольных акустических колебаний, так как модуль сдвига в этой среде равен нулю. Пьезопатчик состоит из металлического корпуса 1, толстого апериодпчного, частично деполяризованного пьезоэлемента 2, изготовленного из пьезокерамики ЦТС-19 и припаянного по периметру рабочего торца к корпусу 1 припоем 3, рабочего объема 4, крышки 5, функции которой может выполнять исследуемый образец, резиновой прокладки 6 и гайки 7. Пьезоэлемент датчика работал в режиме короткого замыкания, при котором форма тока, протекающего через нагрузку II, совпадает с формой функции давления акустического импульса, усредненного по диаметру пьезоэлемента.

Далее рассмотрены схемы температурной ячейки, позволяющей проводить исследования прочностных свойств ионных кристаллов в диапазоне от 200 К до 1200 К, и установки по фотометрированшо световых потоков, отраженных поверхностью растущих трещин.

В третьей главе приведены основные результаты исследования поведения ионных кристаллов при различных уровнях воздействия. Получены зависимости амплитуды акустического импульса <?(Ф) от плотности потока электронов Ф для трех материалов и определен интервал значений ДФ , для которого функция ст(Ф) линейна. Для анализа напряженного состояния в области интерференции применялось машинное моделирование. Используя определенные в эксперименте значения функции а^) для каждого материала в приближении плоской волны, были получены эторы напряжений сг,-^) для различных точек оси акустического пучка. Действующее напряжение определялось как сумма значений напряжений падающего н отраженного импульсов, существующих в ¡-ой точке образца в определенный момент времени. Были также определены и построены зависимости трех функций от глубины области интерференции, соответствующие трем различным критериям: силовому, критического импульса и критического действия. Сравнение. результатов измерений распределения ПСР по толщине с рас. четными значениями, полученными для трех критериев, показывает, что положение границ области разрушения соответствует критерию предельных напряжений (рис.3).

Для разделения процесса на отдельные стадии методом функций

распределения вероятности разрушения определялись значения пороговых напряжений исследуемых материалов. Гистограммы строились по результатам испытаний "200 образцов для каждого типа кристаллов. Откольное разрушение ионных кристаллов, организованное с использованием схемы одноразового нагружения, характеризуется резким порогом по плотности поглощенной энергии и малой дисперсией.

Для изучения влияния дислокационной структуры и'ее эволюции на характер разрушения при динамическом нагружении проводились структурные исследования образцов до и после нагружения методами шок травления и электронной растровой микроскопии. На первом этапе исследований на микроуровне изучалась реакция ионных кристаллов на воздействие импульсов с амплитудой ниже предела прочности. Зависимость относительной плотности дислокаций в кристаллах КС1 от уровня нагружения в области ожидаемого разрушения на расстоянии 140-200 мкм от свободной поверхности для сечения с максимальным значением амплитуды растягивающих напряжений приведена на рис.4. Относительная плотность дислокаций остается неизменной и не выходит за пределы статистического разброса значений конкретной серии образцов ( 20 %), вплоть до пороговых значений растягивающих напряжений. Отсутствие явных изменений в плотности дислокаций установлено также при исследовании структурных особенностей, обусловленных многократным воздействием одиночного импульса малой амплитуды.

Полученные результаты показывают, что при данном способе нагружения, за время достижения растягивающими напряжениями разрушающей величины (первая стадия разрушения) в ионных кристаллах структурных изменений на микроуровне не обнаружено, эффекты накопления отсутствуют, и прочностные характеристики образцов не изменяются.

При уровнях нагружения, превышающих порог разрушения, меняется и характер зависимости : наблюдается резкое увеличение плотности дислокаций, которая достигает максимального значения и быстро уменьшается. При значении Ф ~ 2Ф0 разброс значении дислокаций от образца к образцу возрастает. Наличие нескольких конкурирующих процессов: увеличение числа дислокаций с уровнем воздействия и их уменьшения из-за "отсечки" все большей части импульса по мере увеличения суммарного поперечного сеченпя ПСР, приводит к тому, что зависимость плотности дислокаций от уровня воздействия имеет

вид кривой с максимумом. Отличительной особенностью наблюдаемых дислокационных структур является отсутствие, характерных для квазистатических трещин, скоплений дислокаций в устье остановившейся трещины. Резкое повьппение плотности дислокаций в откольном слое обусловлено циклическим воздействием на материал слоя затухающих колебаний," возникших в результате отсечения части импульса растяжения плоскостями растущих трещин, что аналогично условиям низкочастотного нагружения. В ряде образцов области кристаллов, расположенные между соседними трещинами, имеют аномально низкую плотность дислокаций.

Результаты исследования дислокационных структур позволяют сделать вывод о том, что при скоростном способе нагружения элементарные акты пластической деформации и разрушения начинаются при одних и тех же значениях напряжений, оказаваются взаимосвязанными и действующими одновременно.

На рис.5, изображен рельеф поверхности механически вскрытой хрупкой дисковой трещины в ионных кристаллах, построенной по результатам фрактографических исследований, проведенных с использованием оптических методов. Кристаллическая структура образцов отслеживается в связи между основными кристаллографическими направлениями и положением "гребней" и "впадин" рельефа трещины. В изотропных же телах ПОР имеют вид гладких аксиально-симметричных колец.

Кинетика ПСР в ионных кристаллах исследовалась по изменению интенсивности отраженного светового луча от поверхности дисковых трещин в процессе их роста. Для оценки скорости образования одиночных периодических структур использовались измеренные значения их радиусов и эпюры растягивающих напряжений в сечении образования ПСР, при известном уровне воздействия. Учитывая отсутствие пластического течения в устье остановившейся трещины (отсутствие дислокационных скоплений), предполагалось, что напряжения остановки трещины совпадают с напряжением ее трогания. Для KCL, NaCL измеренная величина напряжений, необходимых для движения трещин при повторном нагружении,. составила (0.4-0.45)(Т0. Для КВг (0.3-0.35)оо (где <7о - значения пороговых напряжений). Далее, с учетом величины разрушающих напряжений, по эпюрам напряжений и измеренным значениям радиусов одрелялась средняя скорость их образозования. Затем прямым фотометрированием измерялась временная зависимость пло-

Hille

Рис.I. Схема нагружения исследуемых образцов.

lOOrh.MK«

200

05 0.75 6,ЮаПл

Рис.З. Распределение структур

разрушения по.глубине образца.

тн

Рис.5. Морфология поверхности откольной. .розетки в ионных кристаллах.

Рис.2. Конструкция пьезодат-чика Давления.

„<. -í

2 4 Ч1/o'cV8

Рис.4. Зависимость относительной" плотности дислокаций в KCl от уровня нагружения. -

50 100 ISO 200 R>iHKH

Рис.6. Зависимость размеров пор Dn .ii их концентрации /Уп от расстояния.до.центра ПСЕ.

хцади растущей ПСР. По результатам измерений был построен график зависимости скорости, роста ПСР от времени и определено ее среднее значение. Сравнение полученных оценок с результатами измерений показывает удовлетворительное их совпадение. Для одиночных однозон-ных ПСР в КС1 с минимальным радиусом 40 мкм измеренное время роста равнялось 50 не, что соответствовало средней скорости роста 800 м/с. Оценочные значения скорости для данной структуры составили величину 740 м/с. Для многозонных ПСР, с радиусом первой зоны равным 90 мкм, оценочные значения средней скорости совпали с измеренными значениями - 820 м/с. Анализ результатов фотометрирования показал, что при длительности импульсов менее Ю-7 с скорость образования откольных розеток на первом этапе, за время 10 не, достигает максимальных значений. Дальнейший рост поверхности откольной розетки определяется видом функции и^), существующим в данном сечении кристалла. Важным результатом представляется то, что во всех случаях максимальное значение скорости образования ПСР не превосходило предельной величины 0.92 У3 (К, - скорость поперечной волны).

При изучении откола было обнаружено, что в некоторых кристаллах одновременно с хрупкими периодическими структурами образуются структуры, состоящие из пор-полостей. При пороговых значениях напряжений образуются одиночные аксиально-симметричные структуры. При увеличении плотности потока электронов в 1,4 образуется большое число разрывов сплошности в центральной зоне структуры и наблюдается сдвиг лучей к периферии. Растворением кристаллов было установлено, что остаточная атмосфера в порах отсутствует. Термический отжиг кристаллов в течение суток при температуре 650° С не повлиял на расположение пор. Для количественного описания скоплений пор исследовались радиусы кольцевых зон, распределения пор по размерам, их концентрация в различных зонах в зависимости ,от уровня внешнего воздействия (рис.6). Дальнейшие исследования доказали, что при динамическом способе нагружения тип структур разрушения определяется примесным составом используемых кристаллов.-Устано-вленно, что в спектрально-чистых кристаллах: и кристаллах марки "х.ч." образуются только хрупкие трещины. В результате спектроскопических исследований обнаружены пики поглощения; на 3460 см.~\ 3570 см~1 и 36764 см~1 в спектрах пропускания образцов, содержащих поры, что указыавет на присутствие в образцах примеси металлов ЛГе2+ игрупп ОН~ .

Сравнительный анализ спектров излучения, полученных в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, позволил разделить кристаллы, содержащие норы, на две группы. К первой относятся кристаллы, содержащие в качестве доминирующей примеси ионы Mg с концентрацией 5-10-3 мол%, ко второй - кристаллы, содержащие ионы РЬ с концентрацией 5-10~3 -;10~3 мол%. Определено также, что существенное влияние на процесс порообразования оказывает концентрация групп 0Н~. Избыток ОН~ подавляет процесс порообразования.

В процессе приготовления образцов из монокристаллов было замечено, что под действием раскалывающего инструмента в объеме монокристалла, содержащего примесь РЬ2+ , возникают поры с линейным размером до 300 мкм. При полном расколе кристалла образуются поверхности с развитым рельефом, имеющим специфический оплавленный вид. Образовавшиеся на поверхности раскола кольцевые выступы лишены признаков кристаллической ориентации.

Распределение дислокаций вблизи пор, возникших при разных способах воздействия, исследовалось методом электронной микроскопии. В результате было установлено, что каких-либо характерных структурных изменений у поверхности "пор не происходит: отсутствует поликристаллизация, фрагментация, блочность, образование субмикро-трещин, а средняя плотность дислокаций вблизи пор, за исключением дислокационной дорожки, соединяющей цепочку пор, не изменяется.

В четвертой главе на основе анализа полученных экспериментальных данных предложена качественная модель откольного разрушения, вызванного действием импульсов растягивающих напряжений длительностью менее Ю-7 с.

Анализ поведения дислокаций в поле механических напряжений малой длительности позволяет предположить, что первая стадия процесса разрушения (стадия накопления структурных изменений) при сверхбыстром способе нагружения отсутствует. Образование и движение дислокаций начинается при тех же напряжениях, что и образование первых одиночных структур разрушения. Положение образующихся структур совпадает с координатами области разрушения, рассчитанной для критерия критических напряжений. Следовательно, разрушение кристаллов начинается, как только амплитуда растягивающих напряжений достигает определенного значения, постоянного для конкретного материала. В результате исследований температурной зависимости прочности ионных кристаллов установлено, что вплоть до

температуры 650 К разрушение кристаллов начинается при при одних и тех же значениях плотности электронов в пучке.

На второй стадии процесса разрушения, стадии образования и роста откольных розеток, определяющим фактором является величина вторичного нестационарного волнового поля, возникшего в результате образования первичных структур разрушения. Чем выше амплитуда воздействующих напряжений, тем больше амплитуда колебаний в откольном слое, тем больше кольцевых зон содержит периодическая структура разрушения. Установлено, что лучевой рельеф поверхности структуры определяется механизмом перехода растущей трещины с одной плоскости спайности на другую (рис.5.). Переход связан с анизотропией свойств ионных кристаллов, наличием градиентов напряжений и появлением в процессе роста откольной розетки интенсивной поверхностной волны разрушающей амплитуды.

В.М.Фишсель показал, что при повторном импульсном сжатии трещины, ионные кристаллы залечиваются с образованием микропор с характерным размером 1 мкм. Размеры пор определяются высотой ступенек рельефа залечиваемой трещины. В наших экспериментах при повторном нагружении примесных кристаллов, содержащих хрупкие ПСР, одиночным биполярным импульсом наблюдалось залечивание откольных розеток с образованием небольшого количества пор. На основании этого результата предполагается, что одной из причин появления разрушений подобного типа является захлопывание хрупкой дисковой трещины под действием вторичного волнового поля, возникающего в процессе образования откольной розетки. Размеры пор, зафиксированные в наших исследованиях, во много раз превосходят указанную характерную величину. Для образования полостей столь значительных размеров за малые времена необходимо интенсивное коллективное перемещение атомов среды. Течение подобного типа, не сопровождающееся явными изменениями структуры дислокационного поля, можно рассматривать как своего рода фазовый переход. Возможно присутствие сложной примеси в условиях интенсивного растяжения приводит систему в состояние термодинамической неустойчивости, что в свою очередь вызывает интенсивную генерацию и сток вакансий, вязкое течение, с дальнейшим переходом системы в состояние со структурным упорядочением.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что разрушение ионных кристаллов имеет дорого-

вый характер и соответствует критерию предельных напряжений вплоть до высоких температур (650 К). Прочность материала при этом остается неизменной.

2. Показано, что при высокоскоростном нагружении отсутствует первая стадия разрушения - стадия накопления структурных изменений. Это связано с тем, что элементарные акты пластической деформации и разрушения начинаются при одних и тех же значениях растягивающих напряжений.

3. Экспериментально исследована кинетика откольного разрушения. Измерено время развития отдельной периодической структуры разрушения и скорость ее образования как функция времени. Получены зависимости концентрации и среднего размера периодических структур от уровня воздействия. Установлено, что кольцевая периодичность рельефа определяется параметрами нестационарного волнового процесса, возникающего в откольном слое, а лучевой рельеф обусловлен аяизоропиец механических свойств кристаллов и определяется параметрами вторичной поверхностной волны, возникающей в процессе образования поверхности откола.

4. Обнаружены и исследованы структуры разрушения нового типа, состоящие из пор. Показано, что такие периодические структуры возникают в ионных кристаллах, содержащих примесь двухвалентных металлов Mg, Pb и группы ОН" . Исследованы зависимость концентрации и распределение пор по размерам от величины растягивающих напряжений. Предложен механизм порообразования, основанный на предположении о захлопывании дпсковых трещин при воздействии вторичного нестационарного волнового поля.

5. Разработан и использован комплекс оригинальных методов исследования процесса разрушения твердых тел в условиях импульсно-.. го воздействия малой длительности.

Основные результаты диссертации изложены в работах :

1. Акустическое излучение конденсированных сред под действием электронных пучков большой плотности. - Беспалько A.A., Блинов В.И.," Геринг Г.И., Савенко О.М. - .Тез.докл.IV Всес. симп. по импульсным давлениям. М.-1983.-С.41.

2. Динамическая тарировка широкополосных пьезодатчиков давления. - Беспалько A.A., Блинов В.И., Геринг Г.И., Савенко О.М.

//Инженерно-физический журнал.-1984.-Т.47.- N 1.-С.166-167.

3. A.c. 1152362 СССР. G 01 23/00. Способ определения коэффициента Грюнайзена твердых материалов / Г.И.Герйнг, О.М.Савенко. (СССР).-N 3647296/24-25.

4. A.c. 1522058 СССР , G 01 L 23/10. Датчик давления ударной волны / О.М.Савенко (CCCP).-N 4375140/24-10.

5. Исследование радиационно-акустических эффектов в высокоом-ных диэлектриках под действием сильноточных электронных пучков.-Блинов В.И., Геринг Г.И., Елисеев H.A., Ковивчак B.C., Савенко О.М./ В межвузовском сб. Динамические процессы в газах и твердых телах,физичес. мех.-Л.:1990.-Вып.6.-С159-172.

6. Некоторые особенности откольного разрушения ионных кристаллов, облучаемых сильноточным электронным пучком.- Блинов В.И., Геринг Г.И., Ковивчак B.C., Савенко О.М.- Тез.докл-VI Всес. конф. по физике диэлектриков.-Томск.-1988.-С.46-47.

7. Савенко О.М. Датчик давления продольных акустических волн // ПТЭ.-1989.- N 6.- С. 170-172.

8. Савенко О.М., Геринг Г.И. Структурные состояния в зоне разрушения ионных кристаллов при динамическом нагружении // ФХОМ. -1991.- N 6. - С. 153-155.

9. Савенко О.М., Геринг Г.И. Структурные состояния в зоне разрушения ионных кристаллов, облучаемых сильноточными пучками электронов // Тез.докл.Н Всес.конф.Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. - Свердловск. -1991- С. 76-78.

10. Савенко О.М., Геринг Г.И. Структурные уровни разрушения ионных кристаллов при динамическом нагружении // ФТТ.-1992.-Т.34.- N 1.-С. 11-15. '

11. Геринг Г.И., Писчасов Н.И., Савенко О.М. Высокоскоростная деформация и разрушение ионных кристаллов, облучаемых сильноточным электронным пучком. Омск.,1994.-52с.-Деп. в ВИНИТИ 10.03.94, N 567- В94.

12. Геринг Г.И., Ковивчак B.C., Савенко О.М. Высокоскоростная деформация и разрушение твердых тел под действием сильноточных электронных пучков.- Сб.тез.докл.8-ой конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск.-1993.-С. 104-105.