Исследование амплитудно-зависимого внутреннего трения и микропластической деформации металлических кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

Р Г Б ОД

О О Г~'Л ""£¡^7 На правах рукописи

ГОЛЯНДИН СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-ЗАВИСИМОГО ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ И МИКРОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ

( 01.04.07 - физика твердого тела)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург • 1997 г.

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН .

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

С.Б. Кустов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Б.К. Смирнов, доктор технических наук, профессор Н.Г. Колбасников.

Ведущее научное учреждение - Санкт-Петербургский государственный

университет.

Защита состоится " " си-тисуз^ 1997 г.

часов на заседании специализированного совэта К 003.23.02 при Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, С.-Петербург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

Автореферат разослан " " е-ьу-рсга. 1997 г. Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук . ^ . (С.И. Бахолдин)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Амплитудно-зависимое внутреннее трение (АЗВТ) отражает нелинейное неупругое поведение материала при циклическом воздействии механических напряжений. Считается твердо установленным, что АЗВТ в кристаллах косит дислокационный характер и отражает процессы движения, взаимодействия, и, 9 ряде случаев, размножения дислокаций, являясь очень тонким структурно-чувствительным инструментом исследования дефектной структуры кристаллов. Вклад в дислокационное амплитудно-зависимое поглощение могут давать самые разные механизмы в зависимости как от конкретной дефектной структуры кристалла, гак и от амплитудного, ч&стотного и температурного диапазона. Однако до сих пор 5ущесгвуют противоположные точки зрения о механизмах и структурных уровнях, с которыми связано АЗВТ.

По всей видимости, АЗВТ в широком диапазоне частот, температур и амплитуд колебательной деформации является сложной комбинацией различных мшфомеханизмов, возможно, взаимосвязанных. Существующие микроскопические геории рассматривают, как правило, только какой-либо один конкретный механизм, не учитывая их возможного сочетания и взаимодействия. До качала настоящего цикла работ отсутствовали и экспериментальные работы, в которых бы количественно разделялся вклад различных механизмов в амплитудно-температурно-частотный спектр АЗВТ. Для более углублённого анализа природы АЗВТ необычайно интересной и перспективной является возможность одновременного изучения АЗВТ и зависимости дислокационной деформации от напряжения. Представляется, что параллельное применение методик непосредственной регистрации механического гистерезиса и АЗВТ на низких частотах и ультразвуковых исследований АЗВТ к металлическим кристаллам позволит исследовать как роль различных механизмов АЗВТ, так и особенности неупругого поведения металлических кристаллов в случае подвижности, точечных дефектов (ТД).

Целью работы было определение микромеханизмов, контролирующих АЗВТ ряда металлических кристаллов, их вклада в зависимости от типа дефектной структуры и параметров эксперимента.

Для достижения поставленной цели задача работы состояла в исследовании амплитудно- частотных зависимостей обрати мой микропластичсскои деформации, внутреннего трения и дефекта модуля Юнга (ДМЮ) в широком диамат!«: част! и с

применением различных экспериментальных методик в металлических кристаллах с различными типами кристаллической решётки и дефектной структуры: ГЦК: монокристаллы алюминия чистотой 99.999%

поликристаллический свинец технической чистоты; ГПУ: монокристаллы цинка чистотой 99.997%; ГЦК с орторомбическими искажениями: монокристаллы Си-А1-М

в мартенситнон рГ фазе.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней :

1. Впервые получены в широком диапазоне частот, от инфра- до ультразвуковых, экспериментальные данные об амплитудно-частотных зависимостях АЗВТ, ДМЮ и нелинейной дисюкационной деформации в металлических кристаллах с ГЦК (А!, РЬ), ГПУ решеткой и в монокристаллах сплава Си-А1-М;

2. Впервые выполнен комплекс одновременных исследований обратимой нелинейной дислокационной деформации, АЗВТ и ДМЮ в условиях подвижности локальных барьеров для подвижных дислокаций, исследована динамика гистерезиса напряжение - обратимг.я дислокационная деформация в случае формирования ат мосфер подвижных ТД.

3. На основе анализа экспериментальных данных показано, что для всех типов кристаллов амплитудно-частотный спектр АЗВТ соответствует модели "нелокализованного трения" - и формируется комбинацией квазистатического, герм»активированного и атермического механизмов движения дислокаций.

Научная и практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Вперрые экспериментально обнаружен и идентифицирован ряд новых явлений в неупругом поведении кристаллов.

2. Предложена реологическая модель, позволяющая с единых позиций количественно описать амплитудно-частотные спектры нелинейной дислокационной деформации и АЗВТ в различных материалах. Разработана компьютерная методика расчетов АЗВТ, ДМЮ и дислокационной деформации кристаллов в широком диапазоне частот и амплитуд. Предложена качественная микроскопическая модель.

3 Исследованы механизмы высокого демпфирования мартенситной фазы кристаллов сплава Си-А1-М1, обнаруженного при температурах ~ 7 - 100 К.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Впервые обнаружен и исследован ряд неупругих явлений в кристаллах:

- амплитудно-зависимая релаксация за счет конкуренции между откреплением дислокаций от подвижных локальных барьеров и их волочением;

- переход от симметричного к одностороннему эффекту "памяти" дислокационного закрепления при возрастании амплитуды обратимой неупругой деформации;

- значительное аномальное поведение температурных зависимостей A3 ВТ и эффективного модуля Юнга в мартенситной фазе кристаллов Oi-Al-Ni в диапазоне температур 70 - 250 К;

- температурно-иезависимое гнстерезисное АЗВТ в мартенситной фазе кристаллов Cu-Al-Ni при температурах 7 - 70К;

2. Показано, что АЗВТ во всех исследованных металлических кристаллах с различным типом решетки и дислокационной структуры описывается в рамках предложенного микроскопического и феноменологического подхода, использующего представления о вкладе »АЗВТ различных уровней дефектной структуры.

3. Расчеты амплитудно-частотных спектров АЗВТ, ДМЮ и нелинейной дислокационной деформации в диапазоне 10"3 - 105 Гц по предложенной реологической модели дают хорошее согласие с данными экспериментов в случае стабильной дефектной структуры.

Апробация работы. Полученные в работе результаты докладывались на VI Европейской конференции "Внутреннее трение и затухание ультразвука в твёрдых телах" ECIFUAS-6 (Краков, Польша, 1991); X и XI Международных конференциях "Внутреннее трение и затухание ультразвука в твёрдых телах" IC1FUAS-I0 (Рим, Италия, 1993) и ICIFUAS-1! (Пуатье, Франция, 1996); Международной конференции по мсртенситным превращениям 1СОМАТ-95 (Лозанна, Швейцария, 1995); . Международном симпозиуме "Механика и механизмы демпфирования в материалах" M3D (Норфолк, США, 1995); М< кдународном семинаре "Релаксационные явления в твёрдых телах" (Воронеж, Россия, 1995).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в б статьях, опубликованных в Российских и международных журналах, перечень которых приведён в конце автореферата, и в 10 тезисах докладов, представленных на Всероссийских и международных конференциях.

Структура и объём диссертаиии. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Диссертация содержит 128 страниц текста, 62 рисунка и 1 таблицу. Список цитируемой литературы составляет 173 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во ввелегчи обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, выявлены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе обзора литературы рассмотрены наиболее распространённые модели АЗВТ, выделены основные экспериментальные закономерности, установленные к настоящему времени, и противоречия, обнаруженные между экспериментальными данными и следствиями, вытекающими из имеющихся теоретических представлений. Основное внимание при этом уделено амплитудным и частотным зависимостям внутреннего трения и, прежде всего, неупругой деформации. Даётся обзор методик экспериментальных исследований амплитудно-частотного спектра АЗВТ и неупругой деформации. В заключительной части главы обосновывается постановка задачи и выбор объектов исследований.

Вторая глава посвящена описанию используемых экспериментальных методик и разработанной методики расчёта амплитудно-частотных спектров АЗВТ и неупругой деформации. Значительный объём экспериментальных данных получен с использованием автоматизированной установки для исследования неупругой деф рмации и АЗВТ в ннфразвуковом диапазоне частот [1]. Установка создана на базе гидравлической испытательной машины 'ЧпбКоп" и предназначена для измерения амплитудных и частотных зависимостей декремента, ДМЮ и неупругой деформации твердых тел в диапазоне ипфразвуковых частот методом непосредственной регистрации гистерезнсных петель (ГП) напряжение - деформация при циклическом нагружении образцов сжатием. Автоматизированная установка позволяет измерять ГП напряжение-деформация в широком диапазоне частот нагружения (0.001 - 5 Гц) и амплитуд деформации (10 6 - Ю"4) при произвольно задаваемом законе нагружения, значительно превосходя известные в данное время методики по разрешению по деформации ц по времени. Использование специально разработанных электронных устройств и емкостного датчика деформации

позволило получить разрешение по деформации 108, которое лимитируется только стабильностью температуры образца. Компьютерная схема управления экспериментом, реализованная в стандарте КАМА К с использованием как серийных, так и специально разработанных модулей, обеспечивает выполнение всех основных функций.

Эксперименты проводились также с использованием автоматизированной установки для исследования акустических характеристик твердых тел на ультразвуковых частотах 80 - 130 кГц резонансным методом составного пьезоэлектрического вибратора [2]. Установка с программным обеспечением позволяет измерять в автоматическом режиме:

- амплитудные зависимости (нелинейное поведение) модуля упругости и поглощения звука в диапазоне колебательных деформаций от 10~8 до 3x10"4 ;

- температурные спектры модуля Юнга, амплитудно-независимого и амплитудно-зависимого (нелинейного) поглощения звука в диапазоне температур 6 - 500 К;

Заключительная часть главы посвящена модификации реологической модели неупругой деформации. Ранее в работе [3] на основе экспериментальных исследований было показано, что для щелочно-'галоидиых кристаллов в диапазоне низких частот дислокационная неупругость может быть хорошо описана моделью, сочетающей обратимое деформационное упрочнение (гистерезис полей внутренних напряжений), которое связано степенной функцией с величиной е,„,

1„-К2(о.Г; (1)

и термоактивированное преодоление дислокациями локальных барьеров

о'-К,(гы)т: (2)

При этом пр| юженное напряжение разделяется на две компоненты:

о (0-а,(1) + о'0). (3)

Из (!), 12* (3) получас гея нелинейное дифференциальное уравнение, описывающее ветвь нагружения ГП е,,(о),

гы(1)~К2(ац)-К1аы(1)/т)\ (4)

где К/. К;, п и т - постоянные. Выражение (1) описывает параллели те соединение гистерезис*юго элемента распределённого трення // с источником по шр.-шшюшей

о -а/+а 6 "" +

силы - элементом упругости 5. Выражению (2) соответствует элемент вязкого трения !>. Параметры уравнения (4) определялись по одной экспериментальной I иоереэисной петле напряжение - неупругая деформация методом случайного поиска п 4 - мерном пространстве параметров:ЛГ;, К], п и т.

Рис. 1. Реологическая модель неупругой дислокационной деформации, состоящая из упругого элемента 5 и элемента распределённого гистерезиса И, представляющих гистерезис полей внутренних напряжений, элемента вязкого трения Д соответствующего компоненте эффективных напряжений и Элемента атермического гистерезиса эффективных напряжений (51, Н1). Расчеты в соответствии с (4) показали хорошее согласие с экспериментом на низких частотах и значительное расхождение на частоте 100 кГц. Анализ формы расчетных ГП и их сравнение с сигналом дислокациониой поляризации, исследованной на ультразвуковых частотах [4], позволили заключить, что на ультразвуковых частотах, как и в инфразвуковом диапазоне, заметную роль играет силовой механизм преодоления дислокациями Препятствий. Однако, в отличие от низких частот, силовым способом преодолеваются локальные барьеры.

Модификация реологической модели, учитывающая силовую компоненту неупругой деформации га,, показана на рис. I. Она заключалась во введении в ветвь, соответствующую эффективным напряжениям, элемента упругости 51, задающего скорость деформации, пропорциональную скорости изменения эффективных напряжений. Элемент распределенного гистерезиса Н1, параллельный элементу упругости, соответствует модели нелокализованного трения и отображает рассеяние энергии при силовом преодолении дислокациями локальных барьеров.

Модифицированной реологической модели соответствует нелинейное дифференциальное уравнение:

£ ,„(I) - К¡1 [а*(1)]'~,о(1) + /о'0)/К,}"т , где о '(I) -о(0- [г ¡п0)/К2]"п.

Расчеты, соответствующие модифицированной модели, были выполнены для кристалла №С1 и показали достаточно хорошее согласие расчетных и экспериментальных амплитудных зависимостей декремента, ДМЮ и деталей поведения неупругой дислокационной деформации в каждом цикле нагружения.

В [5] Гремо предложена модель низкоамплитудного температурно- и частотно-независимого ВТ, в которой ТД, расположенные вблизи плоскости скольжения, являются сильными, но короткодействующими локальными барьерами, а ТД, удалённые на некоторое расстояние от плоскости скольжения - слабыми, но дальнодействующими. Исходя из идеи Гремо о двух типах взаимодействия дислокация - ТД, предложена качественная микроскопическая модель АЗВТ, учитывающая все три механизма, отражённые в модифицированной реологической модели.

Третья глава содержит результаты исследования амплитудно-частотных спектров ГЦК металлов: монокристаллов алюминия чистоты 99.999% и поликристаллического свинца чистоты 99.97%.

В полученных для монокристаллов А1 амплитудных зависимостях АЗВТ и ДМЮ на низких частотах практически отсутствует гистерезис, а форма ГП является симметричной, соответствующей моделям ''ненокализованного трения". Обнаруженные факты свидетельствуют о стабильном характере дефектной структуры. Это позволило применить для алюминия методику определения параметров реологической модели и провести расчёты амплитудно-частотного спектра АЗВТ. В диапазоне частот 10 3 - 106 Гц частотный спектр декремента в алюминии формируется двумя компонентами: квазистатической и термоактивированной. Максимум частотной зависимости . термоактивированной компоненты сдвигается в область более высоких; по сравнению со ЩГК, частот (~105 Гц) Это согласуется с обнаруженным слабым влиянием частоты на ГП напряжение -неупругая деформация и слабой скоростной чувствительностью макроскопическог напряжения течения в А1. Атермическая компонента проявляется только на самых высоких частотах.

При измерениях амплитудного спектра декремента в свинце на частоте ~ 102 кГц обнаружен двухстадийный характер амплитудных зависимостей. Исследования возврата АЗВТ при комнатной температуре, а также амплитудных

зависимостей при температуре 8.5 К позволили заключить, что низкоамплитудная стадия определяется взаимодействием дислокаций с локальными барьерами, а при больших амплитудах (выше ~2х10-4) начинается размножение дислокаций; их взаимодействие между собой определяет высокоамплитудную стадию.

Известно, что свинец применяется в качестве рабочего тела в демпфирующих устройствах экерузионного типа. Поэтому было исследовано влияние степени предварительной деформации в пределах 0 - 30% на АЗВТ. Обнаружено, что зависимость АЗВТ на частоте -102 кГц от степени предварительной деформации имеет немонотонный характер, наблюдается минимум при деформации 10%. При этой же степени предварительной деформации наблюдался максимум напряжения микротекучести в инфразвуковом дигпазоне на уровне остаточной деформации 10А Обнаруженные закономерности влияния деформации на АЗВТ объяснены явлением метавозврата, т.е. переходом при увеличении степени предварительной деформации от гомогенной к гетерогенной (ячеистой) дислокационной структуре. Таким образом, для свинца в области повышенных гомологических температур (Т > 0.5 Тт) характерна нестабильность дислокационной структуры, созданной предварительной деформацией. Поэтому применение предложенной методики расчетов было невозможным и следовало ожидать особенностей в частотном спектре АЗВТ в области низких частот.

Измерения частотных зависимостей АЗВТ методами непосредственной регистрации ГП при комнатной температуре, а также с использованием динамического механического анализатора (модель 830, Du Pont) в диапазоне температур 190 - 320 К, обнаружили значительный рост АЗВТ и ДМЮ при понижении частоты и повышении температуры. Сделан вывод, что существует дополнительная компонента АЗВТ, обусловленная неоднозначной зависимостью внутренних напряжений от величины накопленной неупругой деформации, т.е. микроползучестью и динамическим возвратом. Предложена - модификация реологической модели, учитывающая вклад данной компоненты в амплитудно -частотный спектр АЗВТ.

В четвёртой главе представлены результаты анализа амплитудно-частотных зависимостей АЗВТ и нсупругой деформации в монокристаллах цинка. Для цинка при комнатной температуре характерно наличие плотных Атмосфер Коттрелла, закрепляющих дислокации. Поэтому особый интерес для изучения взаимодействия

дислокаций с подвижными атмосферами точек закрепления имели непосредственные наблюдения зависимостей обратимой дислокационной деформации от напряжения.

Обнаружен^, что в монокристаллах цинка наблюдается значительный амплитудный гистерезис и временная зависимость АЗВТ как на инфра- так и на ультразвуковых частотах. Непосредственные наблюдения обратимой дислокационной деформации позволили идентифицировать наблюдаемые стадии АЗВТ как движение дислокаций внутри атмосфер и их прорыв через атмосферы Коттрелла. Показано, что измерения АЗВТ сопровождаются перераспределением точек закрепления в области максимального смещения дислокаций.

Применение режимов программного нагружения позволило непосредственно исследовать динамику взаимодействия дислокаций с подвижными атмосферами Коттрелла. Было показано, что в зависимости от частоты колебаний, может наблюдаться как многократный прорыв дислокаций через атмосферы Коттрелла с последовательным их перераспределением, так и 'растаскивание' подвижных атмосфер в одиночных циклах нагружения. Первый механизм реализуется при более высоких частотах по сравнению со вторым.

Исследование частотных зависимостей АЗВТ выявило значительное повышение затухания при понижении частоты. Важно отметить, что подобный рост, в отличие от данных для свинца, не сопровождается заметным ростом ДМЮ. Непосредственная регистрация обратимой дислокационной деформации позволила однозначно приписать обнаруженную сильную частотную зависимость АЗВТ релаксационной компоненте, обусловленной конкуренцией между отрывом дйслокаций от подвижных точек закрепления и их волочением.

При малых амплитудах напряжения на ГП наблюдались особенности, связанные с взаимодействием дислокаций с атмосферами и проявлявшиеся как при увеличении, так и при уменьшении напряжения. Это явление аналогично известному эффекту памяти дисчокационного закрепления [6]. Однако, рост амплитуды колебательного напряжения сопровождался переходом к одностороннему эффекту памяти дислокационного закрепления. Это явление иллюстрируется рис. 2,3.

В работе сделан вывод, что обнаруженный эффект перехода от двустороннего эффекта памяти дислокационного закрепления к одностороннему обусловлен одновременным движением дислокаций " полях как локальных точек закрепления,

так и дальнодействующих внутренних напряжений. Эффект получил логическое объяснение в результате модернизации модели гистерезиса полей внутренних напряжений Крессела-Брауна [7].

Рис.2. Гистерезисные петли напряжение • неупругая деформация, измеренные для монокристалла 2п в 1, 2 и 4 циклах нагружения ((а), (б), (в), соответственно) после выдержки 10 с при постоянном напряжении в т. А. Стрелка доказывает направление изменения напряжения. Амплитуда напряжения бОкПа, частота 0.2Гц.

1 Рис. 3. Гистерезисные петли

напряжение - неупругая деформация, измеренные для монокристалла 2п в 1, 2 и 4 циклах нагружения, после выдержки 20 с при постоянном напряжении. Амплитуда

напряжения 163 кПа, частота

.0.5 .0 .5 а2Л<-

с,*, (О"6

Пятая глава посвящена исследованию амплитудно-частотного спектра АЗВТ, ДМЮ и неупругой деформации в (V мартенситной фазе монокристаллов системы Си-А1-№. Исследовались образцы после различных термообработок (гомогенизация

« ¿00

100 •

при 1173 К в течение 900 с с последующей закалкой в воду, послезакалочное старение при 473 К в течение 900,2400 и 14400 с). Измерения на частоте 102 кГц выполнялись в температурном диапазоне 7 - 300 К. Исследования внутреннего трения на инфразвуковых частотах проводились только для закаленных и состаренных в

Ageing time, s Ageing time, s

Рис. 4. Влияние времени старения при 473 К на аффективный модуль упругости (а) и внутреннее трение (6) монокристалла Cu-13.2wt%Ni-4wt%Ni на частоте 102кГц.

Исследования показали, что даже весьма кратковременное старение в аустенитной фазе (473 К) имеет очень сильное влияние на эффективный модуль Юнга и АЗВТ Pi' мартенситной фазы на частоте 102 кГц. Рис. 4 показывает влияние времени старения на упругие и неупругие свойства монокристаллов Cu-Al-Ni в мартенситной фазе. Старение образцов вызывает также радикальное изменение амплитудных зависимостей АЗВТ и ДМЮ и типа ГП напряжение - обратимая неупругая деформация, регистрируемых в инфразвуковом диапазоне. Сопоставление данных инфра- и ультразвуковых измерений с учетом данных'/« situ исследований в электронном микроскопе подвижности дефектов pi мартенситной фазы [8] позволило сделать следующие выводы.

1) Основными носителями нелинейной неупругости являются частичные дислокации, ограничивающие дефекты упаковки в базисных плоскостях и образующие упорядоченную сетку параллельных дислокаций.

2) Старение приводит к изменению типа дефектов, ограничивающих подвижность дислокаций. Наличие высокоподвижных при комнатной температуре локальных барьеров, вероятнее всего закалочных вакансий, типично для закаленного состояния. АЗВТ в закаленных кристаллах обусловлено взаимодействием частичных

дислокаций с атмосферами подвижных локальных барьеров. Квазистатический гистерезис в закаленных кристаллах играет незначительную роль, поскольку взаимное расположение дислокаций в упорядоченной сетке может изменяться незначительно. В состаренных кристаллах концентрация подвижных дефектов мала, а основную роль на низких частотах играет квазистатический гистерезис. Данные рентгеновской дифракции обнаружили в состаренных образцах наличие чг • преципитатов, отсутствующих в закаленных образцах. Делается вывод, что у2, -преципитаты являются источниками неоднородностей полей внутренних напряжений и ответственны за квазистатический гистерезис в состаренных кристаллах.

Далее показано, что различный тип основных препятствий движению дислокаций в закаленных и состаренных кристаллах определяет также и различный тип частотного спектра АЗВТ системы Си-А1-Ык Следует отметить, что существующие теории АЗВТ в материалах с термоупругим мартенситным превращением предсказывают чисто гистерезисный, частотно-независимый характер АЗВТ [9]. Данная работа выявила существование заметной, особенно в закаленных кристаллах, частотной зависимости АЗВТ, В закаленных кристаллах наблюдается низкочастотная релаксация, обусловленная, как и в Хп, конкуренцией между откреплением и волочением подвижных локальных дефектов. В состаренных кристаллах относительная стабильность дефектной структуры обуславливает более слабую частотную зависимость, аналогичную наблюдавшейся в А1. Это позволило применить разработанную методику расчета амплитудно-частотных спектров АЗВТ и ДМЮ. Получено хорошее согласие результатов расчетов и экспериментов. В качестве примера на рис. 5 показано сопоставление семейства расчетных и экспериментально чзмеренных ГП напряжение - обратимая дислокационная деформация для состаренного кристалла Си-13.2\«%А1-4.0\М%М. Рис. 6 представляет сравнение результатов расчета частотного спектра АЗВТ и ДМЮ для состаренного кристалла Си-13.2\у1%А1-4.См%№ с данными экспериментов.

Детально исследовался механизм исключительно сильного влияния времени старения на величину эффективного модуля Юнга кристаллов Си-А1-№. Измерения температурных спектров эффективного модуля Юнга. АНЗВТ и АЗВТ при 7 - 300 К выявили исключительно сильную аномальную температурную зависимость модуля

m Q.

£,„, 10-

Ei,,, 10"°

Рис. 5. Гистерезисные петли напряжение • неупругая деформация для кристалла Си-13.65ъ1%А1-4. ОнЧ'УМ, состаренного 14400 с при 473 К:

(а) - полученные при измерении амплитудной завис мюсти на частоте 0.5 Гц;

(б)-рассчитанные по реологической модели, рис. 1;

1,2,3,4,5- амплитуда напряжения 0.94,1.2, 1.6, 2.1 и 2.7 МПа, соответственно. 100 -

(6)

---R ч$

.....Ru

-Rat

\jf

0-110"*

Ю'2 10° 102 10" 106 f, Гц

Рис. 6. Частотные спектры АЗВТ и ДМЮ при амплитуде напряжения 3.8 МПа, рассчитанные для образца Cu-13.65wi%AI-4wt%Ni, состаренного 14400 с при 473 К:

(а)- декремент (1) и его компоненты: квазистатическая (2), термоактивированная (3) и атермическая (4); ДМЮ (5); (б) и (7) • экспериментальные частотные зависимости декремента и ДМЮ, соответственно;

(б)-удельная доля каждой из компонент ( Rqs, Ria и Rat, соответственно).

Юнга закаленных кристаллов vot температуры при 90 - 250 К. Аномалии температурной зависимости модуля Юнга сопровождается сильным ростом АЗВТ при понижении температуры. Только следы подобной аномалии были обнаружены в состаренных кристаллах. Эксперимент показал также, что при криогенных температурах АЗВТ состаренных и закаленных кристаллов практически совпадает во всем исследованном диапазоне амплитуд деформации и является температурнс-независимым в диапазоне 7 - 70 К.

Подробные исследования динамики амплитудных зависимостей внутреннего трения в области температурной аномалии упругих свойств позволили объяснить эту аномалию отрывом частичных дислокаций от атмосфер точек закрепления под действием термических напряжений, возникающих в объеме сильно анизотропных мартенситных вариантов. Значительный рост АЗВТ в закаленных кристаллах при понижении температуры и совпадение их неупругих свойств с данными для состаренных кристаллов обусловлены тем, что. при низких температурах атмосферы точек закрепления в закаленных кристаллах становятся неподвижными, и под действием термических напряжений дислокации переходят в свободное состояние, типичное для состаренных кристаллов. Таким образом, делается вывод, что значительная температурная аномалия (~20%) эффективного модуля Юнга в закаленных кристаллах обусловлена вкладом амплитудно-независимой неупругой деформации. Столь высокие значения неупругой деформации объясняются особенностями дислокациешюй структуры рГ мартенситной фазы, а именно, отсутствием узлов в упорядоченной сетке дислокаций внутри мартенситиых вариантов. В этом случае, в принципе, длина дислокационного сегмента может бы^ь ограничена лишь размером варианта, ~102 мкм.

Сделан вывод, что обнаруженное при 7 - 70 К атермическое^лабо зависящее от амплитуды деформации внутреннее трение соответствует модели частотно- и температурно-независимого фонового внутреннего трения, предложенной Гремо [5], и обусловлено взаимодействием дислокаций с локальными барьерами, удаленными от плоскостей скольжения дислокаций. Этот факт подтверждает гипотезу [5j о наличии слабых лалыюдсйствующих барьеров, создаваемых ТД, распределёнными в объёме кристалла, и ответственных за »термическую компоненту АЗВТ на ультраэпуковых частотах.

В конце пятой главы приводится сравнительный анализ результатов, полученных в работе для материалов с различным типом кристаллической решетки и, следовательно, дефектной структуры.. Делается вывод, что наиболее общим для всех исследованных материалов является описание амплитудно-частотного спектра АЗВТ и ДМЮ как комбинации нескольких механизмов: гистерезнсного квазистатического, термоактивированного, обусловленного взаимодействием дислокаций с локальными барьерами в плоскостях скольжения дислокаций, и атермического, обусловленного взаимодействием дислокации с локальными барьерами, распределенными в объеме кристалла. Гистерезисная квазистатическая компонента может быть незначительной (Си-А1-М1 в закаленном состоянии), а ее источником может служить как взаимодействие дислокаций (А1, 7м. РЬ), так и взаимодействие дислокаций с выделениями второй фазы (Си-А[-№ в состаренном состоянии). В случае формирования подвижных атмосфер точек закрепления дислокаций (Хп, Си-А1-,-11 в'закаленном состоянии) в области инфразвуковых частот (~ 10"' - 10'3 Гц для комнатной температуры) наблюдается амплитудно-зависимая релаксация, обусловленная конкуренцией между отрывом дислокаций от подвижных атмосфер и их волочением. При повышенных гомологических температурах (РЬ) на низких частотах может наблюдаться АЗВТ, обусловленное микроползучестью и динамическим возвратом.

Отмечается, что предложенное описание амплитудно-частотною спектра АЗВТ оказывается применимым для всех исследованных материалов и хорошо согласуется с особенностями их дефектной структуры.

В заключении сформулированы основные результаты: Экспериментальные исследования

1. Впервые получены в широком Диапазоне частот, от инфра- до улыразвуковых, экспериментальные данные об амплитудно-частотных зависимостях АЗВТ, ДМЮ и нелинейной дислокационной деформации в металлических кристаллах с ГЦК (А1, РЬ), ГПУ (Хп) решеткой, а также в монокристаллах системы Си-Л1-Ы1 (орторомбическая решетка в рГ мартенситной фазе) после различных гермообработок. В монокристаллах Си-А1-№ исследованы также амплитудно-температурные спектры АЗВТ и эффективного модуля упругости.

2. Впервые выполнен комплекс одновременных исследований обратимой нелинейной дислокационной деформации, АЗВТ и ДМЮ в металлических кристаллах. Экспериментально показано существование амплитудно-зависимой релаксационной компоненты ВТ, обусловленной конкуренцией между преодолением подвижных локальных барьеров и их волочением.

Исследована динамика гистерезиса напряжение - обратимая дислокационная деформация в случае формирования атмосфер подвижных локальных барьеров. Впервые непосредственно показано, что стадийность АЗВТ обусловлена колебаниями дислокаций внутри атмосфер и их прорывом через атмосферы.

Обнаруженный переход от двустороннего к одностороннему эффекту памяти дислокационного закрепления объяснен одновременным движением дислокаций в поз.ях локальных барьеров и дальиодействующих внутренних напряжений.

Анализ. Феноменологическое и микроскопическое описание АЗВТ

1. Показано, что для всех типов кристаллов амплитудно-частотный спектр АЗВТ соответствует модели "нелокализованного трения" и формируется той или иной комбинацией следующих механизмов:

- квчзистатическнй, обусловленный обратимым движением дислокаций через неоднородности полей внутренних напряжений, источником которых являются дислокации, их ансамбли или выделения частиц второй фазы;

термически активируемое движение дислокаций через локальные короткодействующие барьеры, расположенные вблизи плоскостей скольжения дислокации; (

- атермическое преодоление локальных барьеров, удаленных от плоскостей скольжения дислокаций.

Предложено качественное микроскопическое описание АЗВТ, учитывающее участие различных уровней дефектной структуры в формировании амплитудно-частотного спектра АЗВТ. Установлена качественная взаимосвязь вклада различных механизмов АЗВТ с типом дефектной структуры исследованных кристаллов.

2. Предложена реологическая модель амплитудно-частотного спектра нелинейной неупруг ости кристаллов. Для случая стабильной дефектом структуры разработана компьютерная методика определения параметров модели п расчета

амплитудно-частотных зависимостей АЗВТ, ДМЮ и обратимой дислокационной деформации кристаллов в широком амплитудно-частотном диапазоне.

3. Показано, что значительные температурные аномалии эффективного модуля упругости 'кристаллов Cu-Al-Ni обусловлены вкладом неупругой дислокационной деформации. Сильное влияние старения в аустенитной фазе на эффективный модуль упругости мартенситкой фазы обусловлено двумя процессами: аннигиляцией подвижных атмосфер точек закрепления и ликвидацией преимущественной ориентации мартенситных вариантов.

4. Низкотемпературное АЗВТ в кристаллах Cu-Al-Ni является атермическим. Этот факт подтверждает гипотезу [5] о наличии' слабых дальнодейсгвугощих барьеров, создаваемых ТД, распределёнными в объёме кристалла, и ответственных за атермическую компоненту АЗВТ на ультразвуковых частотах.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Golyandin S.N. and Kustov S.B. Amplitude-dependent internal friction and dislocation inelastic strain in zinc and aluminium single crystals. // J. Alloys and Compounds.-1994. -V.211/212 -P.164-168.

2. S.B. Kustov, S.N. Golyandin , I. Hurtado, J. Van Humbeeck and R. De Batist. Structural internal friction in CuAINi crystals. //J. de Physique IV.-I995. -V.5. -Coll.CS. -P.C8-943-C8-948.

3. Голяндин C.H., Кустов С.Б. Термически активируемая и силовая микропластическая деформация и амплитудно-частотные спектпы внутреннего трения в кристаллах // ФТТ.-1995. -Т.37, -№ 11.-С.3248-3261.

4. S. Kustov, S. Golyandin, J. Van Humbeeck and R. De Batist. Low frequency amplitude-dependent relaxation in Cu-Al-Ni crystals II J. de Physique IV.-1&96. -V.6.-C0II.C8. -P.C8-32I-C8-324.

5. S. B. Kustov, S. N. Golyandin, I. Hurtado, J. Van Humbeeck and R. De Batist. Internal friction in Cu-Al-Ni crystals in martensitic phase and during temperature-induced martensitic transformation//J. de Physique IV. -1996. -V.6, -C0H.C8. -P.C8-389-CS-392.

6. S. Kustov, S. Golyandin. K. Sapozhnikov and W.H.Robinson. Amplitude-dependent internal friction in lead at ambient temperature// J. de Physique IV. -1996. -V.6. -Coll.CS. -P.C8-265 -C8-268.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Кустов С.Б., Голяндин С.Н., Кардашев Б.К. Неупругая деформация и амплитудно-зависимос внутреннее трение в кристаллах LiF и NaCI при низких частотах нагруження//ФТТ.-1988.-Т. 29. -№ 7.-С. 2167-2176.

2. Robinson W.H. and Edg..r A. The piezoelectric method of determining mechanical damping at frequencies of 30 to 200 kHz // IEEE Trans, on Sonics and Ultrasonics, -1974.-V.SU-2I.-N.2.-P.98-105.

3. Голяндин C.H., Кустов С.Б. Модель амплитудно-зависимой неупругости и амплитудно-частотный спектр внутреннего трения щёлочно-гадоидных кристаллов // ФТТ. -1992. -Т. 34. 12. -С.3763-3770.

4. Robinson W. Н. Force-displacement curve for dislocations in potassium chloride // Phil. Mag. A. -1981. -V. 43. -N. 4. -P.967-977.

5. Gremaud G. The hysteretic damping mechanisms related to dislocation motion II J. de Physique. -1987. -V. 48. -Coll. C8. -P.C8-I5-C8-30.

C. Lenz D., Edenhofer B. and Lücke K. On a dislocation-pinning memory effect in y-irradiated and stress-annealed copper //Scr. Metall. -1971. -V.5. -P.387-394.

7. Kressel H. and Brown N. Dissipation of energy by the motion of dislocation through

a fluctuating internal stress field II Dislocation Dynamics, A. R. Rosenfield, G. T. Hahn, A. L. Bement Jr., and R. I. Jafl'e, Eds. New York: McGraw-Hill,!968.- P.337-354.

8. Gotthardt R. St icking fault, formation in a faulted Cu-Zn-Al martensite// J. de Physique. -1982. -V. 43. -Coll.C4. -P.C4-667-C4-671.

9. Van Humbeeck J., Stoiber J., Delaey L. and Gotthardt R. The high damping capacity of shape memory alloys // Zs. Metallkunde. -1995. -V. 86. -N.3. -P.176-I83.

Отпечатано в типографии ПИЯФ

Зак. 239,тир. 100, уч.-изд. л. 1; 18/VI-I997 г.

Бесплатно