Механолюминесценция металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССБ ОРДЕНА ЛЕНИНА <РИЗЩ0-ТЕХРК^СКШ ИНСТИТУТ Ш. А.О.ИОИЗ

На правах рукописи

АБРАМОВА КМРА БОРИСОВНА

МЕХАНОЛШШСЦЕВД'Я МЕТАЛЛОВ (специальность 01.04.07 - физика твердого тела)

Автореферат диссертация на соискание ученой степени доктора физико-мэгаматаческих наук

Ленинград 1991

Робота выполнена в Ордена Ленина физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе АН СССР.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук,

профессор П.Ю.БУТЯГИН;

доктор физико-математических наук,

профессор В.А.ЛИХАЧЕВ;

доктор физико-математических наук,

профессор А.И.СЛУЦКЕР.

Ведущая организация -Ленинградетсий государственный технический университет

Защита состоится "'/З " Ц 199 ^тода

в часов на заседании специализированного совета Д.003.23.03 в Оизико-техническом институте им. а.4.Иоффе АН СССР по адресу: 194021, Ленинград, Польтежическая ул., 26.

С диссертацией мокаа ознакомиться в библиотеке ФГИ им. А.Ф.Иоффе АН СССР.

Автореферат разослан " ^аЛа^ 199 -¿г.

Ученый секретарь специализированного совзта кандидат физико-математических наук

А.А.ПЕТРОВ

ич г

< ч

1

; , I Общая характеристика работы

Разрушение и деформирование твердых ол возбуждает ^чд эмиссионных явлений, стимулирует хпжчэскиэ реакции. Открытие экзоэлектронов, рассмотрение акустозгетсспп.г/оханоломпкесцэида: с современных позиций привело к возшшновоиш новых направлений исследований. , Казздое из. этих направлений гредставляот самостоятельный интерес, увеличивая наш зпзния о о объекта исследования, о превращениях упругой энергия в кем., а весь ко.чплекс исследований способствует созданию, з частности, го^юй картины процессов деформируемого и разрушающегося твердого тэла.

Задача исследования, описанного в диссертации, Зала поставлена предположение!,1 о том, что световое излучение металлического проводника, разрушавшегося вследствие развития в нем перетязечной неустойчивости, есть --го люминесценция, которая мо~зт возбуждаться самим процессом высокоскоростного разрушения.

Диссертация- содержит описание экспериментальных исследований, устанавливающих' Факты возбуждения

мехаиолюм: :есценции металлов в разных условиях нагругения, некоторнх ее характерно ж и сопоставления экспериментальных результатов с ре тетными, получениями на осчовашот дислокационного механизма генерации светового излучения.

Актуальность задачи определяется объектом исследования. Исследование явлений, сопровоядзщих процесс разрушения, важно для развитая физики металлов. Мохано.шо\тыэс.,,.нцпя металлов -унилальный метод исследования связи элементарных прогэссов деформации и разрушения вблизи дефектов с элементарными возбуждениями в электронной подсистеме металла. О другой стороны, &1'0 есть перспективный метод исследования динамики самих элементарно механических процессов в металле.

Актуальность работы следует из ее результатов. Установление существования механолзоминесценцич металлов, выяснение условий ее тозоуждония и некоторых характеристик важно и полезно и с научной,и с прикладной точек зрзния. 11 эханолкминестанция несет в себе информацию о едзическн« состоянии и особенностях деформации поверхностного слоя, о эго структуре, о плотности и да*-гении

дксдокацим. Регистрация механолшдаесцвнции - это новый бесконтактный метод контроля напряженного состояния мета плаче ских деталей, определения наиболее напрятанного участка детали, оцэнк* плотности дислокаций без какой-либо специальной подготовки металлического образца.

Новизна направления определяется тем, что явление мехажтшнесценции металлов было обнаружено и исследовалось нами шервда. Татаэ впервые изучены некоторые закономерности кеханолхилшэсцэнцик: спектры излучения ряда металлов, их связь с зонной структурой, временные характеристики, корреляция процессов разрушения и излучения.

Положения> выносите на зашиту

1. При пластической деформации и разрушении металлов возбуждается их люминесценция.

2. Интенсивность люминесценции мала во время.распространения ' магистральной трещины . и ' разгорается при релаксации деформированного слоя.

3. Основной вклад з механолюминесценцию благородных металлов вносит электронно-дырочная рекомбинация, возникающая в результате генерации дырок при распаде подвитых дислокаций на поверхности.

4. Спектр излучения благородных металлов определяется электронной структурой поверхностных состояний.

5. Разрушение металлов сопровождается излучением вылетевших возбужденных атомов. ' .

Апробация работы •

Сведения, содержащиеся в диссертации, опубликованы в работах [1-27],докладывались и обсуждались:

1. На се:яшаре Института физических проблем АН СССР, Москва, 1971 г.

2. На семинаре Института физики твердого тела АН СССР, Черноголовка, 1974 г.

3. На сешнаре Выспей технической школы Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), 1979, 1990 г.

4. На общефизическом семинаре Ушсальского университета (Упас:ала, Швеция), 1979 г.

5. На Всесоюзном семинарэ по мэхапозмиссш и мехадахкгая, Москва, 1988 г.

ь. Ни Всесоюзном симпозиуме по ыехшохимии и мэханоэкиссии, Ташкент, 1979 г., Таллинн, 1331 г... Ростов-на-Дону, 1986 г., Чернигов, 1290 г.

7. На Всесоюзном симпозиума по змиссяи композитных материалов, Каменец-Подольский, 1589 г.

8. На координационном совещании НПО "Спектр" по новым методам неразрушащего контроля, Москва, 1989 г.

В процессе выполнения работы отдельные еэ этапы докладывались п обсувдались на семинарах лабораторий'и отделов ФТИ - теоретического отдела, лаборатории газовой динаглпси, лаборатории: прочности, лаборатории малгатопщхэдинамических явлений.

Диссертация состоит из введения, чбчкрох глав и заключения.

Первая глава представляет собой краткий обзор основных явлений, происходящих при механическом нагрувэнии твердых тал: о шшюлгаинесцвяцип диэлектриков,' об • экзозшссии я представлениях о разрушении и деформации. МехашшмиЕэсценция металлов не описывается, т.к. большая часть исследований в этом направлении - предмет настоящей диссертации.

Во второй главе описаны опыты, в которых была обнарукена люминесценция металлического образца.

В третьей глрвэ описаны исследования, подтвердившие сушествованио механолшинесцонции металлов.

Четвертая глаьа посвящена описания исследований светового излучения металлов, возбуждаемого при медленном и квазистатическом нагруЕэнии.

Кандая глава заканчивается заключением, где перечисляется все результаты соответствующего этапа. Основные результата приведены в заключении, которым заканчивается диссертация.

Объем и структура диссертации Диссертация содерют 235 страниц текста, 70 рисунков и список литературы, вклвчаадй 185 наименований.

Краткое ссдврвание работы

Первая глава носит обзезный харяк-эр. Она посвящена

явлениям в нагруженных твердых материалах, в основном механолиминесценции диэлектриков и процессам дефоретрования и разрушения. Эта глава прягагм оОразом не связана с основным содержанием диссертации. Однако он8, по-видимому, необходима и для представления о сложности и незаконченности исследований процессов, происходящих в диэлектриках и для подтверждения необходимости подеоных исследований для самых распространенных в природе материалах - металлах.

Вторая, третья и четвертая главы посвящены описанию исследований излучения свэта, возбуждаемого при разрушении и деформировании металлов. Во второй и третьей глпвах исследуется излучение при разрушениях взрывного характера - в процэссах, в которых имеют место большие скорости приложения нагрузки и разрушения юР-ГО2 м/с. В четвертой - излучение, возбуждаемое при медленном 1С Ю-3 м/с нагрукении, приводящем к разрушению, и в квазистатическом режиме.

Во еторой главе описано поведение металлических проводников при протекании по ним электрического тока большой плотности ¿>10® А/см2.

Процесс имеет взрывной характер и. называется обычно электрическим взрывом, поскольку фрагменты образца разлетаются в стороны, возникает реький звук, яркая слепицая вспышка света, ударная волна. В наших опытах исследовалось поведение медных цилиндрических образцов диаметром 0,5 мм и длиной 70 мм, максимальный ток составлял. 20 кА, 1.6.3,^=7.9 106А/см?

На рис.1 приведены полученные экспериментально осциллограммы тока через проводник 1(1;) излучения «ГШ, а также теневые рентгеновские фотографии, полученные в разные моменты времени', отмеченные на осциллограмме тока.

Сопоставление зависимостей, приведенных на рисунке I и анализ устойчивости формы проводника при протекании по нему электрического тока оолыюй плотности позволяет описать картину следующим образом, в проводнике возбуждаются неустойчивости формы, и неустойчивость мода (т = о ) или перетяжечная ыагштогвдродиначическая неустойчивость его разрушает (рисЛа)" .

i ■

Рис. I. Осциллограмма тога через проводник, теневы~ рентгенограммы процесса разрушения, осциллограмма излучения.

Постоянная воеменп стой неустойчивости определяется выражением:

рс /т

А

(I)

где г0- нэчальшЖ радиус проводника, р - его плотность, Н -напряженность магнитного поля на поверхности проводника. Длина волны неустойчивости, т.е. размер фрагментов, на которые разрушается проводник

к = 2тсг0(ЗГ)1/4, (2)

где

4ИХ о о

а - коэффициент поверхностного натяжения расплавленного металла.

В нашей случае образец разрушается за - 0,2 мкс, т.е. со скоростью - 1000 м/с (как следует аз формулы (I) и рис.1), на фрагменты толщиной 0,1 мм (как следует из (2) и обработки рентгенограмм, подобных приЕеденной на рис.1). В результате разруиения размыкается цепь и прекращается ток, резко возрастает электрическое напряжение на образце, возникает ' интенсивная вспышка света.

Энергия, ' тоже иная в проводник , может быть определена из

осциллограмм тока и нгпряжэния: г

Евл » -Г " <3>

о

здесь ь - индуктивность образца, t - время, за = о принимается момент начала протекания тока, - продолжительность протекания' тока. £е величина оказалась достаточной для нагревг материала проводника до 2000 - 2300°С.

Следовательно,если напухание, возбуждаемое в этом процессе является тепловым, то максимум его должен находиться в инфракрасной области спектра, а в видимой - спадающий хвост. Для проверки этого, . казалось бы, очешдного положения, выполнена измерения излучения в широком спектральном диапазоне от инфракрасного до глубокого ультрафиолетового, в результату которых был сделан вывод, что излучение ори электрическом взрыве есть лшинесценция металлического образца.

Подробно и в абсолютных единицах мо^юсти иьмероно спектральное распределено излучения, ъозшшпн^н'о при электрическом взрыве медных образцов в диапазоне 4,5 - 1 с помощью фотссопротизлепия. Опэктрн излучешя для пяти м^.м.'.имв времени, получоштке в результата обработки осциллограмм 115 измерений каздой длили полни) представлена ни рис.;'. й (.¡смонт появления инфракрасного излучения в спектре 1июлвдг..>тся 2 полосы, максимальная штэнсизиость излучения которых соответствует длинам волн 1,5 мкм, А«.- 1,0 мкм. Пи мэре уменьшения тока падает интенсивность полосы л -■ I,в шеи. После окончания электрического тока распределение энергии в спектре имеет один максимум интенсивности на длило «алии к - Г,5 мкм. Положение максимума остается ноизмошим до окончания излучения п этом спектральном диапазоне.

Яри планковском распределотш оперт; п спектре лгпдх"1,Ьмкм соответствует температурю тела Т= 1900°К, т.о. не

противоречит величине. которая получилась из энергетических измерений. Однако сразу видно, что ¡рормз крпвих. ¡-ио.З далока от планковской, полученное распределите существенно ужо.

Если принять угловое распределение излучения лзогрошшм, считать, что поверхность образца увеличилась в Г НО раз за счет разрушивших его перот.таж, п воспользоваться тем, что система проградуировена в лесолютшх единицах, то можно определить всю энергию,уносимую ппфра1фасгам излучением

Еизл = -Г I -М'» л

о

и сравнить ее с той, которая била Ои у образца, нагретого до 1900К. Оказалось, что ЁтГОЛ" 0,3 Да, примерно в 160 роз нровншает соответствующую тепловую и представляет ничтожную часть - 0,05 % от вложенной в ртих опытах в образец. На рис.3 приведены три зависимости я = Г[Х) : I - повторена в абсолютных единицах мощности зависимость (рчс.2в) ,2 - спектральное распределение мощности излучения абсолютно черного тела, нагретого до [ЛЮК, 3 - спектральное распределение модноита излучения яоеолттпо

5

4

л

2

/

е

5

ча

V 4 г^ г

/Л

«н

1А 1.1 Л,мкг1

2.2

1*1 ^

л;

1Л 1.6 л,/илм

г.г

УЦЛ* -

с • с «мк

Рис.2. Спектры излучения в ИК диапазоне; а - на 18 мкс после начала протекания тока, б - на 20 мкс, в - на 24 мкс, г -на 30 мкс, д - на 32 мкс. (Длительность первого импульса тока 22 мкс).

Рис.3. Распределение мощности излучения в Иа диапазоне: I - та же кривая, что и на .рис.2 в. Мощность излучения в области мак-сималыюр интенсивности 2' Ю4Де/с*см^'мк, 2 - излучение абсолютно черного тела, нагретого до температуры 1900 К, 3 - излуче-. тч. абсолютно черного тела, нагретого до температуры 4000К.

iA /.5 г.г. Дмк

черного тела, нагретого до 4-10% - это тснпоратура,до которой долпон Сил бы быть нагрет образец, чтобы оноргил, излучаемая км в единичном интервале длин волн вблизи X 1,5 мкм.была равна наблюденной. Тагам образом,излучение ш является тепловым, оно избыточно по сравнению с температурит! " кмоот относительно большую длительность.

Были осуществлены измерения излучения, возбуздао?.юго при электрическом взрыве, т.е. МГД-разр^шонга, модных и алюминиевых

с»

образцоз в видимом диапазоне ^2200-3900/0. Получепц споктрэлыке распределения интенсивности, состояли в обоих случаях из набора полос. Часть из них совпадав* с положенном пиков лжллесценции модных и алюминиевых образцов, полученных при возбуждении пучко" заряженных частиц, часть - светом, т.е. являются проявлением катодо- или фотолзвяшесцепции. . Кроме того, есть пики, которые

о

ранее не наблюдались, например,пик А=72Ш А дл« мэди.

Одна из особенностей элок^рггаоского взрыва - скоростное разрушение образцов. Естественно' предпологагть, что часть излучения есть проявление мехаполкттосцонцил, т.е. люминесценции, возбуждаемой в результате разрушения с больной скоростью. Для проверки этого предположения пусто осуцоствить оштн, в которых разрушение металлических с<*оазцов происходило бы с такими ке. скоростями,ко в отсутствии элоктромагштного поля.

В третьей главе исследуется это прэдаололщниэ. Для разрушения образцов использовалась баллистическая установка, которая обеспечивала возможность осуществления тыльного откола.В трубе разгоняется боек и ударяет по массивному металлическому образцу - мишени, при этом разрушается не только поверхность,по которой наносится удар, но и тыльная по отношению к удару без нарушения сплошности образца.Разрушение тыльной поверхности, называемое тыльннм отколом, бесконтактное бе? ослошшацях явлений, связанных с соудпропием те-л. Скорость деформирования медных образцов в нагых. опытах составляла - 100 м/с, весь процесс деформирования и разрушения - 100 мке, площадь деформируемой поверхности - I си. -. Каме] ., в которой происходил

С2

тылышО откол, откачивалась до давления - Ю-5-10~б км рт.ст., что исключало возбуждение газа при деформировании.

Фотоумножитель ФЭУ-38, обладавший чувствительностью IO~1¿Bt

в диапазоне 3000-8200 А, расположенный напротив разрушающей поверхности на расстоянии 20 см, зарегистрировал излучение и при дефоргяфоватто, и разрушэшпт поверхности людных 1рис.4), алшлниорнх и дюралевых образцов. Амплитуда сигнала фотоумножителя при деформировании поверхности медного образца без видимых разрывов в несколько раз меньше сигнала при де^риировглгои с разрывам!. Продолжительность излучения 1,5-3 мс, т.е. существенно болыпо продолжительности деформирования и разрушения. За ото время происходит несколько ярких вспышек, как правило, но ра"7И"9тшнх во времэш.

íoTorpp.'íf (■ ппто розрушэпдпйся и деформируемой поверхности с помощь» электротю-оглчггесксго преобразователя УМ1-93 показало, что излучотшо jiOKunnoi.jHj в областях тревдт и наибольших деформация, причем состоит из отдельных светящихся участков. По-видимому, уччстки свечения возникают но одновременно, а соответствует отдельным пикам на осциллограммах.

Двумя незасисимкки методами измерена зависимость интенсивности излучения, сопровоздзшего разрушение медных

о

образцов, от длины волны в спектральном диапазоне 3500-8200 А. В одном - использовался спектрограф ИСП-51, усилитель света УШ-93 и фотопластинка; в другом - монохроматор .УТД-2, фото?-тоните ль ТОУ-38 и осциллограф. Обрабатывались данные б измерений на каждой длине вслна. Результаты измерений приведены на рис.5. Как следует ид рисунка, кривые, полученные разными методами,хорошо совпадают. Зарегистрированное излучение состоит из двух полос

о

^макс 7200 и 6800 А- причем <ГЛ=7200 a 4Ja=S800* Эти полосы есть в излучении,возникающем при МГД разрушении'медных образцов.

Для того чтобы убедиться в том, что поверхностная пленка окисла не впосит заметной доли в обнаруженное излучение, были продольны специальные опыты. В результате тыльного откола отслаивалась и разрушалась часть поверхности образца, обнакая свекую чистую поверхность. Образец оставался в камере, вакуум

Рис.4. Ос^шлогрзша нзлучеикя г.сди: £ в=0,5мс/дол, чувств. 150 1('В/дел- разркв, II - сильная деформация.

W 500 КО 70Û

Рис.5. Спектр излучения, возникающего при разрушили медного образца: I - результат обработки данных, полученных при помощи спектрографа п электронно-оптического npeotfnu-зователя, 2-результат обработки данных, получетик при помощи монохроматора я фотоумножителя, 3 - излучение обсолят-но черного теле, нагретого до 4000 К. Беля oiïïkîok определены по результатам обработки Ызсти спогстрйа. Прпмдени гс-лс« чины вероятных осглбог. р ™ 2/3 б".

которой 518 нарушался и давление составляло Ь>1СГ° Тор. Через 2-3 минута yjpD повторялся, теперь деформировалась и разрушалась чистая поверхность, на которой пленка еще не успевала нарасти. Фотоумножитель зарегистрировал свэт.

В следующей серии опытов образованная тыльным отколом поверхность образца в течение трех месяцев выдерживалась на воздухе при атмосферном давлешш. За это время окисная пленка, конечно,образовывалась. Датам образец устанаплиз&лся в камеру и осуществлялся второй откол. Ддш т о jъность и интенсивность импульса света остались тают же, как при разрушонии чистой хюьзрхности. Отн серии оштов позволяют утверждать, что,если и суцэсгьуот излучение, возникающее» вследствие разрушения поверхности окисной meivai, то оно заметного вклада в регистрируемое излучение металла но вносит.

Инточеившсгь и продопиигельновть излучения, возникащего при втором тыльной с жохе, оущэствонно отличаются от интенсилюстн к продолжительности излучения, возникащего при первом отколе vрис.4), taтенсивность на 2,5-3 порядка больше, а длительность примерно в ¿0 раз меньше. Спектр излучения второго тидык го откола так же, как и первого, состоит из двух полос:

=5800 A, J^oo* 4<ТА.=5800- КР°М9 «И*0, присутствуют три линии атомарной меди, что свидетельствует о существовании эмиссии возбужденных атомов, т.е. механолизе.

Споктр излучения-, продолжительность, характер осциллограмм, пространственная неоднородность свечения свидетельствуют о том, что ¡зарегистрированное излучение есть механолшинесценция кристаллической кеда.

В работах Мэлоцкого Ы.И. [4-5] для объяснения втих результатов предложен дислокационный механизм возбувдения ыохикиГ«/.мнзсцБнцш ыэтал-;ов. íím рассмотрена электронная структура с.*аг сродных металлов (меди, золота, серебра) и показано, что вдзуохиа радиационная рекомбинация алектронов по Ео рхяос 'пшх р-состояниа с дьфками, образующимися вблизи а-сэлосы в результате выхода на поверхность подвижных AMCJioxaií'.ví. ряспзде на поверхности подвижной дислокации

образуется ступенька. Это сопровождается раотяконием и разрывом старых и образованием , новых связей мэзду атомами, а следовательно, локальным искажением структуры. Некоторые электронные состояния, располся-эгашо вило уровня Сюрмл, при растяжении поникают свой уровень шике Е{ к пересекаются о ¿-состоянием. Пересечение термов сое дает возмошюсть неадиабатических переходов и генерации дырок.

На поверхности меди существует два ш:«а плотности р-состояния Вблизи поверхности Серии; (расположенный но 0,4 еВ ниже Е^ и в2 - на 1,3 ниже (причем примерно в 5 раз выше б2); максимум плотности а-состояния расположен на 2,13 эВ тп:о Ег. И если образовалась ,дырка, то возмошш радиационные перехода

р « <1: I), 2.13 - 0.4 * 1.7 - 1.72 &В (^200-7300 А), ?.). 2.13 -

О

1.3 = 0.8 эВ (~1Г)000 А); и 3). обратный радиоциошшй переход о

о

уровня Ферми в дырочное состояние Е » 2.13 эВ (5800 А).

Структура поверхности серебра такова, что спектр мэхпнолшинесцэнции сзребра должен существенно отличаться от меди: следует окидать появления двух сильно перекрывающихся

пиков Л.=3020 и А.=3100 А.

Экспериментально при МГД разрушении медных образцов среди

о

других пиков излучения наблюдались и Л.«=5в00л--7200,А.^16000А. Излучение, возникащее при тыльном отколе медных образцов, было

о

измерено в диапазоне 3500-9000 А и оказалось состогвдш из двух

о о

полос А.-Б800 А и Я,=7200 А, причем ^7200 * ^л-^ЗОО* Гша1М образом, можно сделать вывод, что спектр излучения,возбуждаемого при разрушении медных образцов, определяется электронной структурой поверхностных состояний.

Если справедлив дислокационный механизм, то продолжительность излучения должна определяться временем, необходимым для выхода на поверхность самой удаленной дислокяцич

2*8(1

*ра°ч - -¡¡г*-' (5)

здись В - коа1фициоит трения Б----0,17-0,85 миуаз, ц » 4,8-Ю1дцН/С) - модуль сдвига, V = 0,34 - ко&фряционт Пуассона, ь -

2.6Й А - величина вектора йоргерса дислокации, бр«=2,5-10"гсм -тсии^нь пластичоской зоны. (все цифры для мэди), *расч»1,4-6,2 мс ,6-3 мс , т.е. наблюдаемое время люминесценции при

экс

тпьном откола находится в хорошем соответствии с расчетом. Уьссчиташшя величчча интенсивности также хорошо совпадает с акспорим^ятальной при тыльном отколе («1рЗСЧ=10 -10 ' Вт/см% .11)К„ - Ю-10 Вт/см2) для сродного значыия плотности дислокация. Если плотность даслокшцнй в приповерхностном слое образца увеличить, то растет интенсивность излучения. Это наОлвдается в опытах сп вторим тыльнш отколом и отот же результат получен в опытах со специально подготовленными медными образцами.

Для ещэ одной проверки справедливости • дислокационного механизма ьозбукдения кеханолюмипесцениии' был измерен спектр

о

излучения щга МГД разурушении сер&Ора в диапазоне 3000-4000 А.

о

Зарегистрирована широкая полоса 3040 А с крутым склоном в

сторону меньших ;ушн волн и пологим в сторону длинных, что мокно объяснить наложением доух неразрешенных полос.

Следовательно, наблюдаемая маханолюминесценция может проходить по дислокационному механизму.

В Ч'зтвортой главе описаны опыты, которые позволили установить, что лшшюсценция металлов возбуцдается и при разрушении ь результате приложения нагрузки с малой скоростью уПогр * 7 ~ 10~3м/с 11 ПРИ деформировании без разрушения (т.е. в квазисъатяческом рзкиме), а также исследовать некоторые характеристики излучения.

Разрушение образцов осуществлялось с помощью вертикального и маятникового копра 7-3 м/с), на разрывной машине

Ю"3;.1/с), нагруасаие в квазистатическом рекиме - гири и рычаззшй механизм, а таг-да источник тепла постоянной производительности, создающий градиент температур и термоупругие напряжения ь точ&гые н&скольких секунд. '

В кзчестад детектороь применялись фотоумножители ФЗУ-79, СОУ-135, 40У-28, фотосопротаапение 4<СГ-22-ЗА1 и камера аса-750.

о

чтс позволило осуществить измерения в даигазоие 3000-100000 Л. Экземпляры фотоумножителей, имеющие наибольшую чустл^тольносгь я минимзльчый собственный шум, были о:;обраш из парткЛ в 25 штук. При использовании охлаждения и с'абшызацки томяоратур« фотокатода, схемы совпадения для устраншпп блектр/ческих помех, чувствительность детектора била ке х;тэ Ю-17 Вт, ¡пум у рогам® счета отдолъ?шх фотонов 2-3 1&_</с при использовании ФЗУ-79 и I -2с £ЭУ-13в, быстродействие де-текпгруодоЯ тютет < 10"бс.

Регистрация и запись сигналов производились с помощью счетчика ШЭ-2И и цифролэчатагдего щнбора, осциллографа шя . анализатора импульсов АИ-1С24-Э5 с самописцем.

При разрушении образцов о помогцы) маятникового копра использовались цилиндрические образцы диаметром 15 мм длиной 150мм с колыдоеь'м надрезом в центре. Дотектиругядая система

располагалась на расстоянии 700 мм от образца на каевтолгаой к траектории маятника. Зозникавдая в результате удара трещина раскрывалась в сторону детектора, были выполнены ошти с образца»® из кеда, атаотя, молибдена, титана, латуни (Лйу-58-2), стали У-8, четырех сплавов титана (ВТ-1, ВТ-в, ВТ-16, ВТ-23) (использовать в этих экспериментах другие металлы не представилось возможности). Во зсех опытах было зарегистрировано излучение.

Чувствительность детектирующей системы в этом случав была на 4-5 порядков выше использовшпюй при исследовании излучения возбуждаемого при тыльном отколе. Вероятно, интенсивность мехаколшинесценцки металлов так же,как и диэлектриков,зависит от скорости приложения нагрузки. Но,поскольку условия описываемых опытов сильно отличаются, предположение было проварено в одних и тех ке экспериментальных условиях* . На рис.6 представлен результат такой проверки. Оказалось, что при изменении скорости

Интенсивность излучения, возбуждаемого при разрушении на маятниковом копре медных образцов мала, поэтому некоторые опыта проделаны с образцами из стали У-8 и титаьа, конечно,в случаях, когда такая замена с ,:ап<эй точки зрения Сила допустимой.

..........I_I II—I I I

ЭЛ ЗД 4.6 5.4 3.0 ¿8 4.6 5.4

Чм/с

Рис. 6. Зависимость интенсивности излучения при разрушении образца от скорости нагрухения. а - сталь, б - титановый сплав ВТ-8.

> 1

Ч&А)

Рис.7. Зависимость средней величины сигнала от параметра

вг/А*

нагружения от 3,8 .до Б,6 м/с интенсивность излучения, возбуждаемого при разрушении титановых и стальных < изразцов, изменяется почти на два порядка. Зависимость интенсивности излучения от скорости приложения нагрузки может быть связана с повышением предела текучести при увеличении скорости загрукения, а следовательно,повышением локальных напряжений и дополнительным освобоадением слабозакрепленных дислокаций. Этот опыт полностью подтвердил предположение о зависимости интенсивности возбуждаемого излучения от скорости приложения нагрузки и предопределил величину Унагр всех последующих опытов, выполненных, с помощью маятникового копра. Все описанные ниже опыты выполнены

^ 7нагр = 5'5 м/с-

Была исследована зависимость интенсивности излучения от

параметров материала. Число импульсов излучения и общая продолжительность высвечивания различны для разных металлов и изменяются в широких пределах: от единиц импульсов в течение нескольких микросекунд для меди и алюминия до десятков тысяч в течение миллисекунд - для сплавов титана.

Из результатов 15 опытов, проведенных в одних и тех же условиях определена средняя интенсивность вспышки Я для каждого 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 возбуждения свечения. Величиной, наилучшим образом удовлетворяющей поставленному условию, оказалось отношение от/\, где аг- предел текучести, Л. - коэффициент теплопроводности. Как видно из рис.7, среднее значение интенсивности Я является степенной, монотонно возрастаний функцией параметра от/\. 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; она не связана с химической активностью свежчобразовакной поверхности: величина Я для стали на два порядка больше К для алшиния.

При разрушении материала происходит его нагрев з зоне разрушения. В связи с этюд была определена температура разогрева исследуемых образцов, исследовано инфракрасное излучение их поверхности, определены области локализации исто'пмков ИК сы_моккя. Были получены фотографии образцов в собственном инфракрасном излучении с помощь» каморы ижрравиденкя aüa-750, чувствительной в диапазоне 2 - Б мкм и имеющей время кадровой развертки телевизионного изображения 200 мкс. Фотографии не дают представления о кинетике излучения, но надэлгно и наглядно определяют его локализацию.

кинотика и время релаксации излучения в диапазоне 3500 -

о

ICOCOO А были установлены при одновременной рэгкстрации излучения, возбуждаемого при разрушении тремя детекторами: СОУ-28 (/А-0,. - 1,2 ».тал) в аналоговом резхиш, ССГ-22-ЗЛ1 (ЛЛ= I

О

- 10 мкм) и ФЭУ-136 (Ak= 3500 - 7800 А) при температлре фотокатода -20 ± 0,5) в режете счота. Примеры осциллограмм, порученных при разрушении образцов из титана, приведены на рис.8.

Подробные измерения спектра ПК излучения ' с помощью Озтосопротивления ФСГ-22-ЗА1 л интерференционных фильтров подтвердили его тепловой характер. Измеренный спектр ПК излучения титана ВТ-8 соответствует излучению нагретого до темпвратуры П42°С тела. Примерная температура разогрева в области разрушения образцов из других металлов определялась по илшштуде сигнала с фотосопротивления, которая сравнивалась с величиной сигнала, полученного при регистрации излучения нагретого диска металла площрдыо, равной зоне разрушения, ч •расположенного на места разрушаемого образца. Температура в областр разрушения стили У-В достигает 100° С. Измерить температуру в области разрушения медных образцов пэ удалось, мо-видимому, из-за набольший os величины и малого времени релаксации.

Измерзший с помощью набора .19 широкополосных фильтров ФЭУ-хЗб и осциллографа, спектр излучения титсне в видимом диапазоне для двух мохептов времени, соответствующих максимума«

а1

—» " -¿-«»л

¿г

г—

--•. . О'

Рис.8. Излучение, возбуждаемое при разрушении титанового сплава -ВТ-8, зарегистрированное одновреиея- -но разными детекторами: й- фэу-28, б- фот-22-311, фэу-136

с холодным фотокатодом, ■¿_„а_-200 йко/дзл.

излучения первого и второго -импульсов, приведен на рис.9. Измеренный двумя методами - с помощью набора из 19 широкополосных фильтров. ФЭУ-136 и счетчика импульсов, а такке с помощью интерференционных фильтров, ФЭУ-135 и счетчика импульсов интегральный по времени спектр излучения стали У-Р. приведен на рис.10. К£ следует из приведенных рисунков, излучение в видимой части спектра, возбуздсемое при динамическом разрушении титана ВТ-3 и стали У-8 состоит из ряда полос. Использованные способы измерения не позеоляют судить об истинной ширине спектральных полос. Вероятно,часть из них ость линии излучения возбужденных атомов титана и аелэза, т.е. продуктов механолиза, который наблюдался и при ударном разрушении медных образцов.

Механизм свечения атомов монет быть следующим. Разогрев поверхности металла при деформировании и разрушение не достаточен для эффективной термоэмиссии ионов. Однако деформация ослабляет связи иона на поверхности илк в вершине трещины, облегчая его термостимулировонный отрыв. Излучение квантов света мбзшо • связать с рекомбинацией ионов с электронами, тушелируетрпа: из металла. Проведение экспериментов на воздухе обуславливает возможность возбуздения люминесценции в , лрхносткой окисноЗ пленки. На поверхности титана образуете " в основном окись гитана ТЮ2,край оптического поглощения в которой

з.оз - З.Ю эВ совпадает с максимальной энергией излучаемых при разрушении образцов квантов. Могао допустить, что излучение на длине волны А = 4000 А связано с разрушег-мвм окионой пленки, тем болев, что он присутствует в спектре только в первом импульсе.

Рассмотри,! возможность ыеханолюминэсценции электрот^х состояний кристаллического переходного металла. Она отлична от соответствующей возможности благородных металлов. В благородных металлах генерируется дырка1 с энергией в несколько элек'пзон-вольх в результате понижения энорпш незанятого тонального электронного состояния. Дика стаскается ниже вершины а-палосы в связи с малостью плотности объемных Б- и р-состояний. В переходных металлах, максимум плотности ¿-состояний лэкит вблизи энергии Ферми, напр.шер для титана ер ^^ = 0,8 эВ.

Л

а

л

ТОО А,»**

Рис. 9. Спектры видимого излучения первой (а) и второй (б) вспыиек мехалиминеспенцш титана.

а

отн. вЗ.

05

5СО ОтЯ.йИ.

¿80

I

■ / .

6 СО

740

&20 №1

ж-

£00£80

л

Ш

¿ге им

Рис. 10.Спектр механолюмикесценции стали У-8. а-измер?-

ния с помощью интерференционных фильтров, б - измерения с использованием пирокополосных фильтров.

Следовательно,в случае титана такие возбужденные состояния могут излучать в инфракрасной области спектра А. > 1,5 мкм. Однако экспериментально наблюдается люминесценция с длинами волн от

4000 до 8000 А, которая может быть связана с возбуждением электронных состояний выше уровня Фэрми.

Сопоставление динамики процессов дефорлмрованкя, разрушения и излучения, выполненные ' для нескольких металлов молибдена, титана, стали позволили нарисовать следующую картину. Излучение в видимом споктральном диапазоне - механолтаинесценция, начинается через некоторое время после приложения нагрузки и продолжается, пока образец деформируется без макроскопического разрушения. Во время развития магистральной трещины свечение или отсутствует,или мало. По окончании разрушения возникает вторая, значительно болэо интенсивная и длительная вспышка света, которая представляет собой суиму двух импульсов: относительно короткого импульса - механолюминесценции и сущэственно более длительного - теплового.

Использогание разрывной машины позволило уменьшить скорость приложения нагрузш до - Ю-3 м/с. В этих условиях также зарегистрировано излучение в видимой части спектра при разрушбнга-медных, алюминиевых, титановых и стальных образцов.

Яри нагружошш образцов из меди, титана, стали, алшшпш с помощью гирь и рычажного механизма зарегистрировано излучение в видаком спектральном диапазоне до начала их разрушения. Возбуждаемое в этих условиях излучение не непрерывно, оно возникает отдельными всплесками. Каждый такой всплеск из 3 - 7 импульсов, излучаемых в течение 5-10 микросекунд. Возбуждение отдельных пакетов может Сыть связано с возникновением отдельных очагов необратимой деформации. Использование детекторов, обладающих чувствительностью в разных спектральных диапазонах, позволило установить, что возбуждаемое и в этих условиях излучение обладает ьризнаками люминесценции. Однако интенсивность излучения мала п не позволяет выполнить более подробные измерения.

Весьма удобными для исследования механолгоинесценции металлов ь реккме квазистатического нвгружения оказались

термоупругие. напряжения, по-видимому, из-за того, что экспериментально не сложно создать напряжения в -заданном месте поверхности образца. В качестве образцов использовались медные, серебряные, алюминиевые, молибденовые, титановые, стальные диски диаметром 30 и толщиной 0,1 ;дл. Для создания в образце термоупругих напряжений нагготый до 1000° С стержень прислонялся к одной стороне образца, другая сторона которого (тыльнаэ) была расположена перед фотокатодом. С помощью термопары была измерена температура тыльной поверхности, а с помощью тензометрической системы - деформация. Предварительно были рассчитаны поля, температур и напряжений тыльной пс .орхности образца. Тешература' поверхности образца, обращенной к ФЭУ, но превышала 60° С.

С началом действия источника тепла, т.е. при возникновении градиента температур, а значит,и термоупругих напряжений, все исследованные наш металлические образцы начинают излучать свет в видимом спектральном диапазоне. На рис.11 приведены зависимости _ от времени интенсивности излучения, зарегистрированного ФЭУ-126 (а), рассчитанной (II) и измеренной (I) температур поверхности образца, обращенной к ФЭУ (0), рассчитанной (II) и измеренной (I) величин скорости изменения деформации (в), изменения дэформации (г), полученные при термоупругом нагрупении медного образца. Из рисунка вщго, что начало и окончание действия источника напряжений есть начало и окончание излучения, при этом источник тепла имеет постоянную производительность, а зависимость интенсивности излучения от времени имеет экстремум, положение которого соответствует перегибу на кривой роста деформации. Тепловоз излучение образца находится вне области чувствительности детектор',.следовательно, возбуждаемое излучение избыточно над тепловым. Изложенное позволяет сделать вывод, что зарегистрирована люминесценция, которая сопровождает изменяющуюся во времени деформацию.

Как уже говорилось, предложен дислокационный механизм возбуждения мехаполюминесценции металлов при быстром их разрушении. Оценим возможность объяснения возбуждения механолюминесценции при квззистатпчэском нагружении с позиций дислокационного механизма. Можно, во-первых, измерить спектры

Рис. II. Излучение, температура, деформация медного е« образца при воздействии на£4о него тепловым потоком. Зг>

' s « 7 t с

1-t>

5 0.S ■

<5

N"

Рис. I?. а,- спектр излучения медного образца; б - спектр излучения серзб-й ряного образца. t

ч

Jao

СО

У\.

S3D $ со

Г

Л./V/V

ТОО

излучения металлов, положение пиков которых на основании предлагаемого механизма определено и, во-вторых- установить существование или отсутствие зависимости интенсивности излучения от неходкой величины концентрации дислокаций.

Были выполнены измерения спектра излучения меди и серебра, возбуждаемого при квазистатическом нагруг:ении. Споктр излучения изди получен с помощью узкоиолоскых интерференционных фильтгюв и представлен на рис.12а. Он совпадает со спектром, полученным при разрушении медных проводников при' разрушении МГД неустойчивостью, тыльным отколом, а тают расчетным- Спектр серебра измерен с помощью широкополосных фильтров, что позволило устанозить локализованную по длинам волн область излучения (гас.126). Она совпала с результатами исследований, полученных при разрушении МГД неустойчивостью и расчетами.

Опыты, в которых использоеэлись медные образцы с исходно раЗной плотностью дислокаций, позволили надежно установить, что интенсивность излучения больше при нагружении образцов, имеющих начально большую плотность дислокаций. Результаты этих опытов свидетельствуют в пользу дислокационного механизма возбуждения механолюминесценщш благородных металлов при квазистатическом нагрукении.

Основные выводы

1. Установлено, что при разрушении металлов вследствиз ударного или плавного разрушения, а также при деформировании вследствие квазистатического нагружевия возбуждается их лшинесценция. Исследовано II металлов и сплавов, все они обнаружили способность к механолюмннесценции.

2. Интенсивность и продолжительность излучения разных металлов различна. Интенсивность определеяется механическими и тепловыми свойствами и является степенной монотонно возрастающей функцией отношения о^А, где от - предел текучести, X -коэффициент теплопроводности.

3. Интенсивность одного и того же мег. лла зависит от скорости приложения нагрузки, также являясь степенной возрастающей функцией скорости нагружения.

4. Механолшинесценция возбуждается во время деформирования

образца, «э интенсивность мала во время распространения магистральной трещины и возрастает при релаксации деформированного слоя.

5. Основной вклад в механо лшинесцен! ога благородных металлов вносит рекомбинация дырочных состояний, возбузденкых в глубоких зонах з результате неадиабатических переходов при распаде на поверхности подвижных дислокаций.

6. Спектр излучения благородных металлов определяется электронной структурой поверхностных состояний. Спектр меда состоит из двух полос в ввдаысм диапазоне, имекцих максимумы JM

О О

= 5800. А, «тд^ = 7200 a, / j^ » 4, и одной полосы в

инфракрасном диапазоне, имеющей максимум А_3 = 1,5 мкм. оСпектр механолюминэсценции серебра занимает область 3000 - 3200 А.

7. Спектры излучения переходных металлов титана (ВТ-8) и стали (У-8) в видимом диапазоне также состоят из ряда полос, которые пока не могут быть объяснены с позиций дислокационного мэханизыа.

8. При разрушении благородных и переходных металлов вылетают отдельные возбужденные атомы.

Основные материалы диссертации опубликован-, в следуищх статьях: '

1. Abramova К.В., Valitnkii V.P., Vandakurov Va.V., Zlatin M.A., Peregood B.P. bfagnetohydrody'wiioal instabilities In eleotrioal explosion. - Ргоо. VI Int. Conf. Phe". Gae, 1965, Beograd.

2. Abramova K.B., Valitskii V.P., YancLakurov Yu.V., Zlatln И.А., Peregood B.P. ISagrietohydrodynaiaioal instabilities in eleotrioal explosion. - Phys. Lett., 1965, v.18, p.286-283.

3. Абрамова К.Б. Ыагнитогидродинамиче ские явления в металлах. Тез. Е Всесоюзной конференции. Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Юрмала 1990, с.5.

4. Абрамова К.Б., Валит ий В.П., Вандакуров Ю.А., Златин К.А., Перегуд Е.П. Х!агнитогидродин&мичэс:ше неустойчивости при электрическом взрыве. - ДАН СССР, 1966, т.167, в.4, с.778-781.

5.Абрамова К.Б. Магтатогидродинамические неустойчивости при

электрическом взрыЕЭ. - Кандидатская диссертация. ФТЙ АН ССОР, Ленинград, IS69.

S. Абрамова К.В., Златин H.A., ■ Перегуд Б.П. МагЕитогЕдроданамическая неустойчивость жидких к твердых проводников. Разрушение проводников электрическим током. - НЗТФ, 1975, Т.6Э, в.6, с.2007-2022.

7. Абрамова К.В., перегуд Б.П. Эксперимента пьное исследование электрического взрыва. - ДАН СССР, I9S4, т.154, в.4, с.837-840.

8. Abramova K.B., Abramovitoh N.P., Peregood В.. . Plasma . radiation when elaotrio explosion - Vfl Conf. on P'ten. Gas, ' Beogrp-', 1965.

8. Абрамова К.Б., Перегуд Б.П. Кзлучение металлов при электрическом взрыве.- ЖТО, 1971, т.41, в.10, с.2216-2225.

ю. Абрамова К.В., Перегуд Б.П., Перунов Ю.Н., Рейнгольд В.А., Щербаков И.П. Спектр излучения, сопровождающего разрушение медных, алюминиевых и серебряных проводников током большой плотности. - Оптика и спектроскопия, 1985, т.58, в.4, с.809-814.

11. Абрамова К.Б., Валицкий В.П., Златин H.A., Перегуд Б.П., Пухонто И.Я. Излучение, возникащее при быстрой деформации и разрушении металлов. - ДАН СССР, 1971, т.201, в.6, с.1322-1325.

12. Абрамова К.Б;, Валицкий В.П., Златин H.A., Перегуд Б.П., Пухонто И.Я., Зедичкина З.В. Люминесценция металлов, сопровождающая их деформацию и разрушение. - ЖЭТФ, 1976, т.71, в.5, с.±873-1879.

13. Абрамова К.Б., Златин H.A., Молоцкий М.И., Перегуд Б.П., Пухонто И.Я. Ыеханолгаинесценция металлов.' Тезисы vi Всесоюзный симпозиум по ыеханохимии и механоэмиссии твердых тел, Ташкент, 197..

14. Абрамова К.Б., ЗЛатин H.A., Перегуд Б.П., Пухонто И.Я., Федичкина З.В. Механолшинесценция меда. Тезисы vi Всесоюзный симпозиум по механоэмиссии и механохимиь твердых тел. Таллинн, 1981, с.41-42.

15. Абрамова К.Б., Пухонто И.Я. Излучение, сспроьождаотеэ быструю деформацию я разрушение деформированного металла. - 2ГФ, 1989, .т.59, в.6, с.66-71.

16. Абрамова К.Б., Пахсмов А.Б., Перегуд Б.П., Пухонто И.Я., Щербаков И.П. Механэлшщтосценция металлов при малнх скоростях их нагрукения, - Письма в ЖТФ, iäS3, t.S, в.13, с.769-772.

17. Абрамова К.Б., Пахомов А.Б., Перегуд Б.П., Щерб.хов И.П. Влияние физических характеристик (от\) металлов на интенсивность механолшинесценции. - Письма в ЖГФ, 1935, т.II, в.1, с.997-999.

13. Абрамова К.Б., Пахомов А.Б., Перегуд Б.П., Щербаков И.П. Инфракрасное излучение, возникающее при деформации и разрушении металлов. - ЖТФ, 1988, т.58, в.4, с.817-321.

19. Абрамова К.Б., Пахомов А.Б., Перегуд Б.П., Щербаков И.П. Источники свечения, сопровождающего разрушение металлов- Тезисы доклада..X Юбилейный Всесоюзный симпозиум по механозмиссии и мехашхимии твердых тел, Ростов-на-Дону, 1983, с.34-35.

20. Абрамова К.Б., Пахомов А 3., Перегуд Б.II., Щербаков И.П. Иг-лучекие света при динамическом разрушении титана. - ЖТФ, 1990, т.63, в.6, с.186-190.

21. Абрамова К.Б., Пахомов А.Б., Перегуд Б.П., Щербаков И.П. Механолшинесценция стал/..-ЖТФ, 1986, т.56, в.5, С.97Г-981.

22. Абрамова К.Б., Перегуд F.n., Щербаков И.П. Излучение СЕета нагруженными металлами. - ЕГФ, I99G, т.60, т 4, с.159-161.

23- Абрамова К.Б., Пахомов А.Б., Перегуд Б.П., Щербаков И.П. Свет, излучаемый металлами при статическом их нг.гружэнии. -Письма в КТФ, 1983, т.9, Б.17, с.1025-1028.

24. Абрамова К.Б., Перегуд Б.П., й^рбаков И.П. Исследование механолюминесценции металлов при квазистатическом нагрукении. -ЖГФ, 1990, Т.60, в.8, с.80-85.

25. Абрамова К.Б., Щербаков И.П. Мехаяолмошесценция и дислокации в благородных металлах. Тезисы доклада.XI Всесоюзный симпозиум по механохимии и механоэмиссш твердых тел., т.1, сент. 1990, Чернигов, с.166-167.

26. Абрамова К.Б., Клюев В.В., Щербаков И.П. Возоувдание фотонной эмиссии металлов при тх разрушении и деформировании вследствие протекания по ним токов большой плотности и механических нагрузок. Тезисы,! Всесоюзная конференция "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов", Юрмала, 1990.

27. Абрамова К.В., Щербаков И.П. Излучение света металлшч » видимом диапазоне длин волн при доформя юввига. Тезисы Я Всесоюзного семинара по (физике прочно ти компооициогал« материалов, Каменец-Подольский, 1989.

Список литератур«

1. Молоцкий М.И. Дислокационный механизм люминесценция металлов при разрушении. - ФТТ, 1978, т.20, 1 .6. O.IS5I-I666.

2. Молоцкий М.И. Дислокационная лшинеа онция поперхноотных состояний в металлах. - ФГТ, 1981, т.23, в.7 0.2I7I-2I72.

3. Молоцкий М.И. Генерация дырок при р»спаде дислокаций и механолюминесценция металла. - 4Ш, 1983, т.ьБ, ь.1, С743-60.

4. Молоцкий М.И. Вторичные эффекты при пластической деформации. - Докторская диссертация, Воронен, 1983.

5. tfolotBkli M.I. Eleoti-onio exoitatlon dnrirv; the plnntio deformation and fraoture of oryetals. - Ohemietry Raviewn (Soviet Soiantiflo Revlewe/Seotion B), r.1J, part J, p.1-85.

РГП ЛШ,звк.744,тир.120,уч.-изд.лЛ,3; 25/УПЛ991Г. Бесплатно