Исследование излучения, сопровождающего деформирование и разрушение металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Академия наук СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ им. А.Ф.Иоффе

Ня правах рукописи

ЩЕРБАКОВ ИГОРЬ ПЕТРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, СОПРОВОЗДАВДЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

(специальность 01.04.07 - физика твердого тела)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ленинград 1991

Работа выполнена в Ордена Ленина физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе ЛИ СССР.

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук К.Б.Абрамова.

Официальные оппоненты:

доктот» физико-математических наук, профессор В.А.Закревский, доктор физико-математических наук, профессор М.И.Молоцкий,

Еедущая организация -

Ленинградский государственный текшческий университет.

Защита ссстоится " 9 " С/сД 139 г.

в ^(Р часов на заседании специализированного совета К.003.23.02 при Ордена Ленина физико-техническом институте АН СССР по адресу: 194021, Ленинград, К-21, Политехническая ул, 26.

Отзывы на автореферат то диссертации в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба высылать по вынеуказанному адресу на имя ученого секрета?т специализированного

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ АН СССР.

совета.

Автореферат разослан

.Ученый секретарь

специализированного совета К.003.23.02 кандидат физико-математических наук

С.И.Еахолдин

Общая характерист.-ла работы

Актуальность работа. Явлению излучения света при деформации и разрушении твердых тел - механолюминесценции-посвящено много работ. Наиболее интенсивно оно исследуется в последние десятилетия. При этом большая часть публикаций посвящена механолюминесценции, сопровождающей деформирование и разрушение диэлектриков, полимеров и полупроводников. Механолюминесценция металлов изучена мало. К моменту настоящей работы била известна лишь механолюминесценция меди, возбуждаемая при скоростях нагружения vHarp > 100 м/с. Механолюминесценция других металлов практически не исследоваласа.

Механолюминесценция несет в себе информацию о физическом состоянии и особенностях деформации поверхностного слоя, о ого структуре, о механизмах разрушения, поэтому эти исследования важны для ({изики металлов.

В настоящее время большое значение приобретает разработка новых методов контроля деталей и конструкций в процессе их работы. Знание закономерностей возникновения механолюминесценции открывает новые возможности контроля напряженного состояния металлических деталей и конструкций,а также прогнозирования их срока службы.

Таким образом, актуальность исследования механолюминесценции металлов обусловлена как потребностями физики металлов, так и необходимостью создания новых способов нерэзрушапцего контроля.

Цель работы. Основная цель работы состояла в выяснении существования механолюминесценции металлов, нь относящихся к группе благородных, в исследовании характеристик возникающего излучения и возможности применимости дислокационной модели возбуадения люминесценции, предложенной для больших скоростей нагружения благородных металлов VHarp >100 м/с, для других металлов и малых скоростей нагружения V,..,™ < 5 м/с

Hai р»

Научная новизна. В работе впервые установлено, что деформирование и разрушение металлов при vna < 5 м/с сопровождается их мехзнолюмииосцвнцией. Интенсивность механолимтюсцонции зависит от:

а) скорости приложения нагрузки;

б) характера разрушения;

в) • физических параметров материала, таких как от - предел текучести и Л. - теплопроводность.

Впервые установлено, что механолюминесценция металлов возбудцается и тогда, когда металл находится под нагрузкеа видгашх разрушений нет. Исследована динамика возникновения мэханолшинесцвнции металлов в рекимэ ползучести и показано, что излучение не непрерывно, а возникает отдельными всплесками.

Положения, выносимые на зг.дту.

1. Дефортарование и разрушение металлов сопровождается излучением. .

2. Интенсивность излучения зависит от физических характеристик металла.

3. Разрушение металлов сопровождается -вылетом возбугдеш-шх атомов.

Апробация работы. Основгае результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

I X Юбилейной Всесоюзной конференции по механоэмиссии и маханохимли твердых тел, Ростов-на-Дону, 1985.

2. XI Международной конференции по механоэмиссии и механохимии твердых тел, Чернигов, 1990.

3. Всесоюзном симпозиум по эмиссии композиционных материалов, Каменец-Подольский, 19ь9.

-1. Всесс/таном семинаое в Институте физической химии, Москва, 1989.

5.11 Всесоюзной конференции по действии электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов, Юрмала, 1990, а такаю докладывались и обсуждались на семинарах лабораторий ФТИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура к объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения общим объемом ПО страниц,включая 47 рисунков и списка литературы из 67 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность теш, сформулированы дели работы, дана аннотация диссертации.

Первая глава является обзором литературы. Содержание этой главы тематически разделено на три части: в первой кратко рассмотрены различные виды недеформяционной лшинесценции Металлов, связанной с разными способами возбуждения электронной подсистемы металла.

Во второй дается описание мехаполшинесценции металлов, вызванной быстрой деформацией и разрушением Унагр >100 м/с. Приведены некоторые экспериментальные результаты, полученные при разрушении медных образцов МГД-неустойчивостями и тыльным отколом.

В третьей описаны теоретические основы дкслокеотогагаго механизма механолюминэсценции металлов, возбуждаемой при быстрых деформации и разрушении.

Формулируются постановка задачи и основные цели работы.

Во второй главе рассматриваются методические вопросы создания детектирующей системы для исследования световых излучений малой интенсивности. Описаны способы отбора ФЭУ по его характеристикам, других составляющих детектирующей системы для счета фотонов и регистрации временных, спектральных и других характеристик излучения.

В качестве детекторов применялись фотоумножители ФЭУ-136, ФЭУ-28, фотосопротивления ФСГ-223-А1 и тепловизор АОА-750, что

позволило осуществить измерения в диапазоне (0.3 - 10 мкм ).При использовании охлаждения и стабилизации температуры фотокатода и схемы совпадений для устранения электрических помех

Т7

чувствительность ФЭУ бала не хуже 10 Вт, а быстродействие детектирующей системы - 10~6 с . Регистрация и запись сигналов производилась с помощью счетчика ПП9-2М и цифропечатаицого прибора, осциллографа и анализатора импульсов АИ-1024--95 с самописцем.

В третьей главе описаны результаты исследования моханолшинесценции металлов, возникающей при деформации и разрушении при скорости погружения V < 5,5 м/с. Разрушение

образцов осуществлялось с помощью маятникового копра. Использовались цилиндрические образцы диаметром 15 мм длиной 150 мм с • кольцевым надрезом в центре. Детектирующая система располагалась на расстоянии 70 см от образца на касательной к траектории маятника. Возникающая в результате удара трещина раскрывалась в сторону детектора.

Выполнены опыты с образцами из меди, алюминия, молибдена, циркония, титана,латуни, стали УВ, четырех сплавов титана (BT-I, ВТ-8, BT-I6, БТ-23). Во всех .случаях было зарегистрировано излучение.

Исследована зависимость интенсивности излучения от параметров материала. По результатам 10 опытов, проведенных в одних и тех же условиях, определена средняя интенсивность вспышки R для каздого из исследовавшихся металлов, а затем подобран параметр, зависящий от механических, химических или тепловых свойств материала, такой, чтобы величина Я по возможности монотонно от него зависела. Такой параметр или комбинация их могут нести информацию о природе возбуздения свечения. Величиной, наилучшим образом удовлетворяющей поставленному условию, оказалось отношение атА, где от - предел текучести, к - коэффициент теплопроводности. Как видно из рис.1, сроднее значение интенсивности В является монотонно возрастающей функцией параметра а^/Х. На способность металла излучать свет при разрушении конкурирующее влияние оказывают два фактора -запасаемая в области разрушения упругая энергия и интенсивность оттока энергии с поверхности или вершины растущей трещины; ока но связана с химической активностью свекеобразованной поверхности: величина ti для стали на два порядка больше Я для алюминия.

Исследована зависимость интенсивности излучения от скорости нагрузке ния.

На рис.2 представлены результаты экспериментов для стали и титана. Оказалось, что при изменении скорости нагружения от 3,8 до 5,5 м/с интенсивность излучения этих металлов изменяется почти на два порядка. Зависимость интенсивности излучения от скорости приложения нагрузки монет быть связана с повышением

3?.

£ гз.

ВТ-9

СтУа

-1 о 1 г

Рис Л. Зависимость интенсивности излучения от параметров материала.

ш 6

2

У

\0 з,1 4,0 ¿*

1л(Й) Я

6

4

г

3,0 & (Г*

Рис.2. Зависимость интенсивности излучения от скорости нагружения; а - сталь,б - титан.

предела текучести при увеличении скорости нагрухения ж, следовательно, возрастания отношения для соответствующего

металла. Эти эксперименты определили величину ^наГр в „ex последующих опытов, выполненных на маятниковом копре. Все описанные ниже опыты выполнены при Унагр = 5,5 м/с.

На рис.3 приводятся осциллограммы сигналов, получешше в одном опыте разными приемниками излучения: а - ФСГ-223-А1 (2 <Х < 10 мкм); ö - ФЭУ-136 в счетном режиме (0,3 < X < 0,83 мкм); в - ФЭУ-28 (0,4 < X < 1,2 мкм). Развертки осциллографов запускались в момент соприкосновения маятника с образцом. Из сопоставления осциллограмм видно, что разрушение титановых образцов маятниковым копром сопровождается двумя световыми вспышками, которые разделены паузой. В первой вспышке преобладает видимое излучение, во второй - инфракрасное. По-видимому.свечение в диапазоне(0,3 < X < 0,83 мкм) в основном не связано с разогревом образца.

Для того, чтобы определять, на каких стадиях процесса разрушения металл люмпнесцирует, были сопоставлоиы результаты двух от ов. В первом измерялась зависимость интенсивности свотоеого излучения образца от времени. Во второй серии опытов динамика процесса разрушения исследовалась путем фотографирования образцов в сЕете импульсной лампы в различные моменты времена. Время экспозиции составляло - 10 мкс. Задеркка срабатывания фотовспышки относительно момента удара устанавливалась с помощью генератора.задерганных импульсов.

Через t= (400 - 4ь0) мкс. после удара маятника по образцу зарождается визуально наблюдаемая макротрещина. Разрушение длится для различных образцов до t = (580 - 590) мкс. Затем половинки образца, продолжая разворот, отлетают назад и в стороны. Свечение начинается через 100 мкс после приложения нагрузки, заканчивается первая вспышка чорез t = 400 мкс, т.е. импульс света укладывается в интервале времени, в течение которого образец деформируется без видимого макроскопического разрушения. На этапе развития магистральной трещины интенсивность излучения уменьшается, что может быть связано с тем, что из.лучение коллимируется края!® растущей трещина.

Для того,чтобы проверить применимость дислокационной модели люминесценции, предложенной для благородных металлов и больших . скоростей нагружения,;ця переходных металлов,нужно сравнить интенсивности излучения при хрупком и вязком разрушении образцов.Сталь У-3 является удобным объектом для проверки, так как при 20°С образш разрушаются хрупко.а при 60°С наблюдается хладноломкий переход и ужо при 80°С разрушение шеет вязкий характер.Если справедлив дислокациошшй механизм.то следовало озидать увеличения интенсивности излучения при вязком разрушении по сравнению с хрупким,но, как видно из рис.4,интенсивность излучения при вязком разрушении намного меньше,чем при хрупком.

Для объяснения механизма возбуждения свечения пэобходама информация о его спектре. Измерение спектров механолюминесценции затруднено двумя обстоятельствами - малой величиной и большим разбросил интенсивности свечения от опыта к опыту.

Спектральный состав излучения стали и титана в диапазоне 400 - 830 им исследовался способом, применимым для измерения спектров малой интенсивности и позволяющим повысить чувствительность за счет использования фильтров с широкой полосой пропускания. Измеренный с помощью набора 19 широкополосных фильтров, ФЭУ-136 и осциллографа спокто излучения титана в видимом диапазоне представлен на рис.5.,а стали на рис.6.Как следует из приведенных рисунков .излучение в видимой части спектра .возбуждаемое при динамическом разрушении титана и стали,состоит из ряда полос, расположение и соотношение интенслвностей которых неплохо согласуется с параметрами наиболее интенсивных линий атомарного железа и титана. Ото позволяет предположить, что разрушение стали и титана сопровождается вылетом атомов металла, часть из которых находится в возбужденном состоянии.

Механизм свечения атомов может быть следующим. Разогрев поверхности металла при деформировании и разрушении недостаточен для эффективной термоэмиссии ионов. Однако деформация ослабляет связи иона на поверхности или в вершине трещины, облегчая его термостимулированный отрыв.

Рис.з. Осциллограммы излучения при разрушении титана.регистрируемого:а - ФСГ-223-А1,б -ФЭУ -136 в счетном режиме .охлажденный до - 20°С, в - ФЭУ -20;£разв=200мкс/дел.

20 НО £О. &0 <00 120

Рис.4. Зависимость интенсивности излучения от характера разрушения.

1.0 ■

1, о/пм. ей

0.5 ■

Я,ИМ

Ш ДМ 600 700

Рис.5.Спектр видимого излучения вспышки механолшинесцонции титана.

0,5

о тн.еЪ.

J—I _1—I

. .-л...

620 № НИ

Рис.6.Спектр излучения стали.

Излучение квантов света можно связать с рекомбинацией ионов с электронами, туннелирувдими из металла.

Проведение экспериментов на воздухе обуславливает возможность возбуждения люминесценции окисной пленки титана ТЮ2, край оптического поглощения в которой sß=( 3,03 - 3,10 эВ) совпадает с максимальной энергией излучаемых при разрушении образцов квантов. Можно допустить, что излучение на длине волны X = 400 нм связано с разрушением окиснсй пленки.

Рассмотрим возможность механолюминесценции электронных состояний кристаллического переходного металла,в соответствии с известным механизмом. В благородных металлах генерируется дырка с энергией в несколько электрон-вольт в результате понижения энергии незанятого лекального электронного состояния. Дырка снижается ниже вершины d-полосн в связи с малостью плотности объемных б- и р-состояний. В переходных металлах максимум плотности ¿-состояний ложит вблизи энергии Ферми, например для титана ер - edmax = 0,8 эВ. Следовательно, в случае титана такие возбужденные состояния могут излучать в инфракрасной области спектра \ > 1,5 мкм. Однако экспериментально наблюдается излучение с длинами волн от 4000 до 8000

Второй импульс излучения рис.3.в, по-видимому, связан с нагревом в зоне разрупеня. В связи с этим была определена температура титановых образцов в месте разрушения. Были получены фотографии образцов в собственном инфракрасном излучении с пемощью камеры А0А-750, чувствительной в области 2-10 мкм,и выполнены измерения спектра ИК излучения с помощью фотосопротивления «ХСГ-223-А1 и интерференционных фильтров. Изморенный спектр ИК излучения титаны совпадает с планковской кривой, которая соответствует JI42°C. Эта величина неплохо согласуется с теоретической оценкой величины разогрева зоны пластической деформации для титана (880 - 1000°С).

В следующей серии опытов образцы нагружались со скоростью - 10~3 м/с. В этих условиях также зарегистрировано излучение в видимой части спектра при разрушении медных, титановых и стальных образцов.

При нагружбнии образцов из меди, титана и стали с помощью

рычажного механизма зарегистрировано излучение в видимом спектральном диапазоне и до начала его разрушения. Излучение в этом случае не непрерывно, а возникает отдельных® всплесками,и каждый такой всплеск состоит из серии в 3-7 импульсов, а частота появления всплесков увеличивается при приближении к разрушающей нагрузке. Использование детекторов, обладаниях чувствительностью в разных спектральных диапазонах, позволило установить, что возбуждаемое в этих условиях излучение обладает признаками люминесценции. Однако интенсивность излучения мала и не позволяет провести подробные измерения спектров излечения.

Весьма удобным для исследования механолшинесценции оказалось использование напряжений, которые возникают в образце вследствие создания в нем градиента температур.

В качество образцов использовались медные, серебряные, стальные диски диаметром 30 мм и толщиной I мм. Длл создания в образце термических напряжений нагретый до 1000°С стержень прислонялся к фронтальной стороне образца, другая сторона которого (тыльная) находилась в темной камере перед фотокатодом фотоумножителя. Температура тыльной стороны в конце эксперимента была 60°С.Тепловое излучение при этой температуре наш ФЭУ не регистрировал.

Были выполнены измерения спектра излучения меди и серебра, возбуждаемого при квазистатическом нагружении. Спектр излучения меди получен с помощью узкополосных интерференционных фильтров.

Он совпадает со спектром, полученным при разрушении медных проводников МГЦ неустойчивостью, тыльным отколом, а также с расчетным. Спектр серебра измерен с помощью широкополосных фильтров, что позволило установить локализованную по длинам волн область излучения. Она совпала с результатами исследований, полученлих при разрушении ?Я"Д неустойчивостью и расчетами.

Таким образом в процессе исследования установлено, что деформирование и разрушение металлов сопровоздаэтся излучением света в видимом спектральном диапазоне. Это излучение обладает всеми, признаками люминесценции. Основной вклад в излучение при разрушении переходных металлов вносят вылетевшие атомы металла, которые находятся в возбужденном состоянии.

Интенсивность излучения определяется скоростью нагрухения.характером разрушения, а также физическими характеристиками ог - пределом текучести и % - теплопроводностью конкретного металла.

Научные результаты, изложенные в диссертации, полностью отражены в следующих опубликованных работах. I.Абрамова К.Б., Перегуд Б.П., Перунов D.H., Рейнгольд В.А., Щербаков И.П. Спектр излучения, сопровождающего разрушение медных, алюминиевых и серебряных проводников током большой плотности. - Оптика и спектроскопия, 1985, т.58, М, с.809-814.

2.Абрамова К.Б., Пахомов А.Б., Перегуд Б.П., Щербаков И.П. Влияние (физических характеристик (о^А) металлов . на интенсивность механолкминесценции. - Письма в ЖГФ, 1985, т.И, ÄI6, с.997-1000.

3.Абрамова К.Б., Пахомов А.Б., Перегуд Б.П., Щербаков И.П. Механолюминесценция стали. - ЖТФ, 1986, т.Еб, Х6, с.978-981.

4.Абрамова К.Б., Пахомов А.Б., Перегуд Б.П., Щербаков И.П. Излучение света при динамическом разрушении титана. - ЖТФ, 1990,

69, В.6, C.I86-I90.

5.Абрамова К.Б., Пахомов A.B., Перегуд Б.П., Пухонто И.Я., Щербаков И.П. Ыеханолшинесцеяция металлов при малых скоростях их пагрухе._ия. - Письма в ЖГФ, 1983, т.9, *13, с.769-772.

6.Абрамова К.Б., Перегуд Б.П., Щербаков И.П. Излучение света нагруженными металлами. - ЖГФ, 1990, т.60, в.4, С.1Б9-161.

7.Абрамова К.Б., Пахомов А.Б..Щербаков И.П. Отчет о научно-исследовательской работе "Исследование возможности использования явления механолшинесценции металлов для диагностики напряженного состояния", а/ГИ, 1987.

3. Абрамова К.Б., Пахомов A.B., Перегуд Б.П., Пухонто И.Я., Щербаков И.П. Источники свечения, соировоаданцего разрушение металлов. - Тезисы докладов. X Юбилейный Всесоюзный симпозиум по механоэмиссии и мехаяохшии твердых тел. Ростов-на 1ону, 1988, с.34-35.

9. Абрамова К.Б., Щербаков И.П. Тезисы доклада на семинаре по физике прочности композитных материалов. Каменец-Подольский, 1969.

10. Абрамова К.Б..Щербаков И.П. Тезисы доклада на XI Международной конференции по механоэмиссии и механохимии твердая тел., Чернигов,1990.

11. Абрамова К.Б.. Перегуд Б.П., Щербаков И.II. Механолшинесценция металлов при их упругой деформации. Сборник трудов ФГИ, Изд-во НыьЯорк, 1989.

12.Абрамова К.Б., Перегуд Б.П., Щербаков И.П. Инфракрасное излучение, возникающее пги деформации и разрушении металлов. ЖТФ, 1988. Т.58, №4, с.817-821.

13.Абрамова К.Б., Перегуд Б.П., Щербаков К.П. Исследование механолюминесценции металлов при квазистатическом нагружении. -ЖТФ, 1990, Т.60, Хв, с.80-85.

14.Абрамова К.Б.Дондырев A.M..Щербаков И.П., Чмель А.Е. Индуцированное лазером микроразрушение металлической мишени вне облучаемой зоны.-ЖТФ,1991,т.GI,в.8.,с.208-210.

РИ1 ЛИЯ$,закЛ001,тир.100,уч.-изд.л.0,7; 31Д-1991г. Бесплатно