Закономерности диффузионно-дислокационных процессов и особенности разрушения кристаллов кремния и германия при высокочастотном механическом воздействии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Общая характеристика работы.Н

Введение.^

ГЛАВА 1 Диффузионные вакансионные процессы при возникновении стоячих волн.

1.1 Диффузия вакансий в бездислокационных кристаллах при возникновении в них стоячей волны. ^

1.2 Влияние объемных источников и стоков вакансий на изменение концентрации вакансий.

1.3 Особенности диффузионных вакансионных процессов при ультразвуковом озвучивании образцов.ff

Выводы по первой главе.SP

ГЛАВА 2. Изменение дислокационной структуры кристалла при возникновении в нем стоячей волны.

Введение.—

2.1. Рост и растворение дислокационных петель.°г

2.2. Образование дислокационных петель.

2.3. Неконсервативное движение краевых дислокаций в образце под действием осмотической силы при возникновении в нем стоячей волны.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. Напряжения создаваемые дислокационной структурой, образующейся за счет переползания краевых дислокаций при возникновении в образце ультразвуковой стоячей волны.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. Термоупругие напряжения, возникающие в образце при поглощении ультразвуковой стоячей волны.

Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5. Напряжения создаваемые скоплением дислокационных петель, возникающих при ультразвуковом воздействии на образец.

Выводы по пятой главе.7/

ГЛАВА 6. Анализ экспериментальных данных.^

Выводы по шестой главе.

ГЛАВА 7. Диффузионно-дислокационный механизм разрушения при

Выводы по седьмой главе.

Актуальность проблемы. Фундаментальные задачи современного материаловедения определяются необходимостью создания материалов с заданным набором физико-механических свойств. Большинство свойств кристаллов зависит от наличия в них структурных дефектов, наиболее важными из которых являются точечные дефекты и дислокации. Исследование дефектов позволяет сформировать представление о свойствах реального материала. При этом свойства кристаллов зависят как от плотности различных дефектов, так и от характера взаимодействия дефектов между собой и с дефектами других типов. Поэтому необходимо проведение целенаправленных исследований по механизму формирования дефектной структуры, взаимодействию дефектов, их генерации и исчезновению.

Изменение дефектной структуры приводит к изменению физических, в том числе и механических свойств кристаллов. Одним из наиболее доступных и простых методов изменения дислокационной структуры кристаллических образцов является их циклическое деформирование (процессы нагружение-разгрузка или сжатие-растяжение). Очень эффективно, и потому представляет особый интерес, высокочастотное (ультразвуковое) деформирование.

К настоящему времени установлено, что обработка металлов ультразвуком приводит к их упрочнению. Однако механизм ультразвукового упрочнения и деформации не выяснен полностью, особенно в области малых амплитуд. Не проводилось до сих пор и детальное теоретическое исследование изменения дислокационной структуры, связанное с взаимодействием дислокаций с диффундирующими точечными дефектами, в этих условиях.

Выявление основных закономерностей пластической деформации, упрочнения и разрушения твердого тела при высокочастотном механическом воздействии на него является очень актуальной задачей, так как позволяет рекомендовать практике научно обоснованные методы обработки и упрочнения материалов. Кроме того, появляется возможность сформулировать основные критерии и принципы интенсификации и управления кинетикой микропластической деформации и разрушения, а также провести оптимизацию технологических процессов упрочнения и обработки материалов.

В последние годы большое внимание уделяется исследованию влияния точечных дефектов на механизм и кинетику деформационного старения и твердофазного взаимодействия. Установлено, что при рассмотрении механизма деформационного старения необходимо принимать во внимание не только традиционные существующие модели примесного закрепления дислокаций по механизму Коттрелла (наличие примесных атомов внедрения углерода, азота, кислорода, водорода), но и наличие собственных точечных дефектов (вакансий и междоузлий), которые, осаждаясь на винтовых компонентах дислокаций, образуют неконсервативно движущиеся ступеньки, являющиеся при движении дислокаций не менее эффективными стопорами, чем примесные атомы. Кроме того, поскольку точечные дефекты (в частности вакансии), как и дислокации, являются носителями свободных ненасыщенных связей, то учет роли точечных дефектов и дислокаций весьма актуален при анализе механизмов и кинетики образования твердофазного соединения материалов. При выходе вакансий и дислокаций на поверхность они разрывают насыщенные химические связи, что приводит к появлению неспаренных электронов (радикалов), способных участвовать в обменном взаимодействии и в образовании на контактных поверхностях раздела общих химических связей. Поэтому направленный к контактным поверхностям раздела двух однородных или разнородных материалов поток вакансий и выход дислокаций на границу раздела будут создавать активные центры схватывания, что способствует кинетики образования твердофазного соединения материалов. Из сказанного следует, что для вышеперечисленных физических процессов актуально установление закономерностей изменения вакансионной системы, появления неравновесных точечных дефектов и протекающих диффузионных процессов.

Цель работы заключается в том, чтобы: установить связь между диффузионными процессами, эволюцией дислокационной структуры и разрушением хрупких материалов (Si, Ge) при высокочастотном (ультразвуковом) механическом воздействии, а также, проанализировав протекающие процессы, определить механизм разрушения и предложить модель разрушения хрупких материалов, подвергнутых циклическому воздействию.

В соответствии с этим в работе решались следующие основные задачи:

1. Детальное теоретическое исследование диффузионных процессов для вакансий в условиях циклического механического воздействия и анализ влияния диффузионных процессов на формирование в кристалле областей вакансионного пересыщения и недосыщения.

2. Изучение основных закономерностей характера формирования и эволюции дислокационной структуры в приповерхностном и внутренних объемных слоях материала при его ультразвуковом озвучивании.

3. Анализ основных источников внутренних напряжений в кристалле при ультразвуковом воздействии на него, а также исследование величины этих напряжений и основных параметров, влияющих на их значения.

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем.

Впервые эволюция дислокационной структуры исследуется в связи с изменением вакансионной системы и протекающими диффузионными процессами при высокочастотном (ультразвуковом) нагружении кристалла.

Впервые детально проанализированы диффузионные процессы в вакансионной системе при низкочастотном и высокочастотном ультразвуковом) нагружении кристалла. Аналитически показано, что вакансионные процессы, протекающие в кристалле при высокочастотном и низкочастотном механическом воздействии, подобны. Установлены условия появления гистерезисного эффекта «вакансионного насоса». Показано возникновение областей вакансионного пересыщения около поверхности и границ зерен. Установлена параметрическая зависимость размера области вакансионного пересыщения от частоты и амплитуды звуковой волны, а также от коэффициента диффузии вакансий и размера кристалла.

Впервые проанализирована связь изменения вакансионной системы с изменением дислокационной структуры материалов при ультразвуковом озвучивании. Установлен очень важный факт особо резкого изменения дислокационной структуры в приповерхностных слоях материала, около границ зерен и пучности стоячей волны, возникающей в кристалле. Впервые с привлечением численного моделирования выявлены основные закономерности неконсервативного движения краевых дислокаций, образования градиента повышенной плотности дислокаций в приповерхностных слоях материалов, и установлено формирование полос скольжения вблизи свободной поверхности, около границ зерен и в местах отсутствия вакансионного пересыщения и недосыщения.

Впервые проанализированы основные причины возникновения внутренних напряжений в образце, подвергнутому ультразвуковому озвучиванию, и сделаны количественные оценки их величин. Полученные результаты, проведенный теоретический анализ и анализ экспериментальных данных позволили объяснить физическую природу разрушения хрупких материалов, подвергнутых ультразвуковому воздействию, с позиций предложенного в работе диффузионно-дислокационного механизма микродеформации, а также неконсервативного движения дислокаций, как основной физической модели их перемещения. Дано объяснение отличия в механизмах разрушения хрупких материалов (Si, Ge), подвергнутых ультразвуковому воздействию, от пластичных. Предложена модель разрушения хрупких материалов, и показано ее отличие от моделей разрушения пластичных образцов, подвергнутых ультразвуковому воздействию. При этом достоверность предложенной физической модели подтверждается хорошей корреляцией имеющихся экспериментальных данных и проведенных в работе расчетных оценок.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе полученных результатов можно выбирать оптимальные режимы обработки материалов высокочастотным механическим воздействием для получения требуемых физических свойств, а также прогнозировать изменение механических свойств и разрушение материалов в условиях их эксплуатации при циклическом высокочастотном деформировании. Кроме этого, установление закономерностей протекающих диффузионных процессов и неконсервативного движения дислокаций при циклическом (в частности высокочастотном) нагружении кристаллических образцов имеет практическое значение для интенсификации и оптимизации режимов упрочнения материалов, процессов образования твердофазного соединения и деформационного старения.

Основные результаты, выносимые на защиту:

- результат анализа пространственно-временной эволюции вакансионной системы кристаллических тел под действием высокочастотных механических колебаний; аналитический вывод о подобии вакансионных процессов, протекающих в кристаллическом теле при его высокочастотном и низкочастотном механическом нагружении;

- анализ роли объемных дефектов, наружной поверхности и границ зерен, как источников и стоков вакансий в формировании областей вакансионного пересыщения и недосыщения в этих условиях; установлен факт возникновения эффекта «вакансионного насоса»;

- установлена зависимость предельного расстояния продвижения вакансионного фронта (диффузии вакансий) от поверхности и границ зерен образца;

- анализ влияния ультразвукового воздействия на систему дислокационных петель и переползание краевых дислокаций в кристалле; выявлен механизм и область формирования полос скольжения; обнаружен факт существенного изменения дислокационной структуры около поверхности, около границ зерен и в местах отсутствия вакансионного пересыщения и недосыщения;

- установлен факт образования дипольных скоплений за счет неконсервативного движения;

- оценка внутренних напряжений создаваемых в кристалле, образующимися при ультразвуковом воздействии, скоплениями краевых дислокаций и дислокационных петель;

-вывод формулы и сделанные оценки, описывающие неравномерный характер нагрева и возникающие термоупругие напряжения при воздействии ультразвуковых колебаний на образцы;

- установлено отличие в механизмах разрушения хрупких материалов и пластичных при высокочастотном механическом воздействии; предложена модель разрушения хрупких материалов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены на:

Сессия VIII межотраслевой школы по физике радиационных повреждений твердого тела ( Алушта, 1991 г.). Название докладов:

1.Ю.Н. Степанов, В.П. Алехин, К.П. Гуров «Вакансионная накачка» кристаллов при циклическом нагружении.

2. Ю.Н. Степанов, В.П. Алехин, К.П. Гуров Рост дислокационных петель и переползание краевых дислокаций при циклическом нагружении.

Конференция «Materials research Society» (Штутгарт, Германия, 1994). Название доклада:

3. M.I. Alymov, Y.N. Stepanov, E. I. Maltina « Model of initial stage of ultrafine metal powder sintering».

Конференция «Materials research Society» (Бостон, США, 1995 г.). Название доклада:

4. Y.N. Stepanov, A.M. Scorubsky « Dislocation structure evolution in thin single crystal plates under cyclic loading.»

Third Russia-Chinese symposium (Kaluga, Russia, October 9-12, 1995). Название доклада:

5. Y.N. Stepanov, M.I. Alymov «New point of view for explanation of process on initial stage of ultrafine powder sintering».

Конференция « Физика прочности и пластичности металлов и сплавов» (Самара, 1995). Название докладов:

6. Алехин В.П., Степанов Ю.Н. «Возникновение приповерхностной области вакансионного пересыщения при высокочастотном воздействии на образцы».

7. Алехин В.П., Степанов Ю.Н. «Формирование скоплений краевых дислокаций при высокочастотном воздействии на образцы».

Международная конференция по росту и физике кристаллов, посвященной памяти М.П. Шаскольской (Москва, 1998 г.). Название доклада:

8. Ю.Н. Степанов, В.П. Алехин «Неконсервативное движение дислокаций в области хрупкого разрушения полупроводниковых кристаллов».

Международная конференция "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов", посвященная юбилею Тамбовского Университета (Тамбов, 2000). Название доклада:

9. Ю.Н. Степанов, В.П. Алехин «Диффузионно-дислокационный механизм разрушения пластичных образцов при ультразвуковом озвучивании».

Введение

Реальная структура приповерхностного и объемного слоев твердых тел имеет существенное значение при формировании общих физико-механических и технологических свойств современных металлических и полупроводниковых материалов. За последние годы этому вопросу было посвящено значительное число публикаций. В частности, установлено, что одну из главенствующих ролей в формировании этих свойств играют точечные (вакансии, междоузельные атомы), линейные (дислокации) и объемные (кластеры и сегрегационные включения) дефекты [1-3]. При этом существенно наличие взаимодействия между этими дефектами, в результате чего возможен рост или истощение одних типов дефектов за счет других. Однако вопрос этот настолько сложен, что теоретические и экспериментальные исследования по этому направлению продолжаются до сих пор, и многие проблемные вопросы еще ждут своего решения.

Важно подчеркнуть, что в зависимости от внешних условий образование и рост дефектов различных типов возможен как при высоких, так и при низких температурах. В частности деформационная обработка материала является мощным интенсификатором генерации дефектов. Так установлено, что при одноосном сжатии или растяжении возможно соответственно появление (и рост) или уменьшение в размерах (и исчезновение) дислокационных петель (вакансионных или междоузельных) за счет протекания процесса конденсации собственных точечных дефектов и их испускания или поглощения дислокационными петлями и кластерами. Это подтверждено экспериментально [4-8].

В литературе на основе анализа этих эффектов предложены различные физические модели механизма роста или исчезновения дислокационных петель подобного типа.

Так в [9,10] считается, что образование дислокационной петли начинается с зарождения маленькой краевой дислокации. Ниже эта схема изложена по [2].

Изменение суммарной энергии частица-дислокационная петля вычитания W можно представить в виде [9, 10]

W = -4rcr2G э b + Gb2 г (In (8r/e2b) + 1) / (2-2v ) - ж r2 kT In (С/С0) / b2 , (1) где г - радиус петли, b - вектор Бюргерса, G - модуль сдвига, v -коэффициент Пуассона, к - постоянная Больцмана, Т - температура кристалла, С - относительная концентрация вакансий, Со - относительная равновесная концентрация вакансий' э = Зк* 5 / (Зк* + 2G + v ) , (2) где к* - модуль сдвига включения, 5 - параметр линейного несоответствия (при G = к*' э = 25 / 3).

Для петли внедрения уравнение будет полностью аналогичным, кроме коэффициента 2 вместо 4 в первом члене и 1п(Со /С) вместо In (С/Со) в последнем члене уравнения (1).

Когда С >Со , то состояние соответствует пересыщению точечными дефектами, а когда С0 <С - недосыщению.

Первый член в правой части (1) представляет собой энергию упругого взаимодействия частицы с петлей, второй - энергию дислокационной петли, третий - энергию, связанную с изменением концентрации точечных дефектов. Из этого выражения следует, что зарождение петли требует термоактивируемого преодоления энергетического барьера, который существенно зависит от параметра In (С/Со), определяемого вакансионным пересыщением в случае образования вакансионной петли и вакансионным недосыщением 1п(С0 /С) в случае образования петли внедрения. Как было показано в [11], экспериментально наблюдаемой высоте энергетического барьера 7 эв соответствует значение параметра 1п(С0 /С) = 15. Это указывает на то, что вблизи частиц выделений практически нет свободных вакансий. При отжиге в электронном микроскопе тонкой фольги (до 3 мкм), приготовленной из закаленного кристалла, процесс образования дефектов развивается иначе [12]. В первые минуты отжига наблюдается образование преципитатов, однако в дальнейшем петли ими не генерируются. По-видимому, снятие напряжений около частиц обеспечивается вакансиями, диффундирующими к преципитатам с поверхности фольги, и отсутствует необходимость создания внутренних источников вакансий в виде дислокационных петель.

В общем случае для кристалла, находящегося под действием внешних напряжений с составляющей всестороннего сжатия Р! и внутренних напряжений с составляющей всестороннего сжатия Р2 , полный термодинамический потенциал образования вакансий имеет вид [1] где Gv - термодинамический потенциал образования вакансий при давлении равном нулю; We - дополнительная внешняя работа для образования вакансий в кристалле под сжимающим давлением Рь AVv - изменение объема при образовании вакансии, равное Va - Vv , где Va и Vv - атомный объем и объем вакансии соответственно.

Равновесная концентрация вакансий определяется выражением:

U = GV-(P, +Р2) AVv +W( е (3)

С = Со ехр [ - We / кТ ] (4) где

С0 = Ny ехр [ - (Gv - (Pi + Р2) AVv / кТ ]

• (5)

Здесь C0 - концентрация вакансий эталонного (стандартного) состояния; Ny - концентрация возможных вакантных узлов.

При условии всестороннего сжатия для образования вакансий путем перемещения атома из объема кристалла на поверхность, необходимо совершить работу We=Pi Va. При этом концентрация вакансий, находящихся в равновесии с поверхностью, будет равна [1]

С = Со ехр (- Р, Va/kT) , (6) а локальный химический потенциал вакансий равен

GIok = -Pi Va = kT In ( С/Со) .(7)

Следует отметить, что в общем случае одноосного нагружения Pi = cjxx и С = Со ехр (- ахх Va / кТ) для торцевых площадок образца, где сжимающее напряжение ахх приложено нормально к поверхности. Кроме того, следует помнить, что в принципе, уравнение (3) справедливо и для междоузлий, если у второго и третьего члена поменять знаки на обратные, то есть Giok = Gj + (Pi + P2)Vi - P,Va , (8) где Gj - термодинамический потенциал образования междоузлий при Pj = О и Р2 -0 ; Vj - объем междоузлия. В соответствии с этим изменяются знаки на противоположные в (4) - (6).

Таким образом, из (3)-(7) следует, что химический потенциал вакансий должен уменьшаться с увеличением внешнего сжимающего давления, а общий термодинамический потенциал образования вакансий должен увеличиваться. При этом, согласно (3), концентрация вакансий соответственно уменьшаться по сравнению с равновесным значением при Pi -0 и Р2 = 0 .

Нетрудно понять, что такой эффект взаимодействия точечных дефектов с линейными (а также, возможно, и объемными - рост и исчезновение кластеров и пор) существенно влияет на свойства материалов. Особенно ярко выражение этого эффекта должно проявляться при высокочастотной циклической (ультразвуковой) деформации. Следует иметь ввиду, что во многих технологиях обработки материалов, а также в некоторых режимах и условиях их эксплуатации имеются такие циклические нагрузки. Поэтому детальное изучение механизма явления и следствий, связанных с ним, имеет большое практическое значение.

Главный общий вывод из всех моделей заключается в том, что рост или исчезновение дислокаций связаны с тем, что они являются стоками или источниками вакансий, что может проявиться при пересыщении или недосыщении вакансиями объема материала по сравнению с термодинамической равновесной концентрацией вакансий. В этих условиях происходит диффузионный перенос вакансий от источников или к стокам. Такая ситуация, в частности, возникает при одноосном сжатии или растяжении. При циклической нагрузке из-за различия активационного барьера дислокации или поры как стока, и той же дислокации или поры как источника вакансий, возникает эффект «вакансионного насоса» [2], приводящий к необратимым изменениям дислокационной структуры.

В [2] обращено внимание на то, что в очень тонких образцах в качестве стоков и источников вакансий доминирующую роль играет наружная поверхность образца, как имеющая «бесконечную» мощность стока или источника, образования или исчезновения, вакансий по механизму Шоттки. Очевидно, в этих условиях особенно четко можно проследить диффузионные процессы без учета ловушек и источников вакансий внутри объема материала, когда последние «выносятся» в граничные условия для уравнений, описывающих исследуемый диффузионный процесс. Конечно, такое исследование должно предполагать почти бездислокационную исходную структуру материала.

Количественный анализ процесса до настоящего времени практически не проводился. Общие наметки имеются только в [2, 13]. В то же время количественные оценки представляют практический интерес. Их следует учитывать при анализе циклического деформирования материала и выяснения физической природы механизма «старения» материала и его разрушения в процессе их эксплуатации, в выборе оптимальных параметров режимов программированного упрочнения и обработки материалов, учета эволюции структуры кристаллических материалов в условиях низкочастотного и высокочастотного циклического деформирования, и тому подобное.

Настоящая работа посвящена именно решению этой задачи. В работе четко можно выделить несколько разделов. А именно: 1) изучение чисто диффузионных процессов при деформировании; 2) исследование изменения дислокационной структуры при этих процессах; 3) Расчет напряжений, создаваемых образующейся дислокационной структурой; 4) Исследование термоупругих напряжений, возникающих при высокочастотном озвучивании образцов; 5) анализ экспериментальных данных на основе полученных результатов и практические рекомендации по механизму разрушения хрупких материалов(полупроводников) и металлов.

Автор выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность своим учителям - академику РАЕН, профессору, д.ф.-м.н. Алехину Валентину Павловичу и профессору, д.ф.-м.н. Гурову Кириллу Петровичу.

Общие выводы.

1. Аналитически проанализировано изменение вакансионной системы при озвучивании моно- и поликристаллов. Показано, что вакансионные процессы, протекающие в кристалле при высокочастотном и низкочастотном воздействии механических колебаний на него, подобны и отличаются только временными и пространственными масштабами протекания. Установлено, что с поверхности и границ зерен происходит «накачка» вакансий в кристалл (наличие эффекта «вакансионного насоса»). Показано возникновение около поверхности и границ зерен областей вакансионного пересыщения. Получено, что характерная величина возникающего пересыщения составляет 10 - 20 % и не превосходит 30% от значения средней равновесной концентрации вакансий.

2. Установлено, что главными параметрами, определяющими размер области вакансионного пересыщения и величину вакансионного пересыщения, являются коэффициент диффузии вакансий, частота и амплитуда ультразвуковой волны. Установлена зависимость предельного расстояния продвижения вакансионного фронта от поверхности и границ в объем образца. Получено, что предельное расстояние продвижения вакансионного фронта прямо пропорционально корню квадратному от коэффициента диффузии вакансий и обратно пропорционально корню квадратному от частоты воздействия на образец. Установлен критерий, позволяющий определить роль наружной поверхности, границ зерен и объемных дефектов в изменении концентрации вакансий.

3. Проанализированы процессы образования и растворения призматических дислокационных петель при высокочастотном воздействии, и установлено резкое различие результатов для приповерхностных и внутренних слоев материалов. Показано, что при ультразвуковом воздействии около поверхности и границ зерен образуются устойчивые призматические дислокационные петли.

4. Проанализировано переползание краевых дислокаций при ультразвуковом воздействии на моно- и поликристалл. Показано, что переползание происходит под действием осмотических сил и направлено к наружной поверхности кристалла, границам зерен и к местам, где вакансионное пересыщение (недосыщение) отсутствует. Установлено, что переползание приводит к уменьшению плотности дислокаций в объеме и увеличению в местах, где отсутствует вакансионное пересыщение (недосыщение), около свободной поверхности, границ зерен, трещин, пустот. Установлено, что в местах, где отсутствует вакансионное пересыщение (недосыщение), вблизи свободной поверхности, границ зерен, пустот, возникают скопления краевых дислокаций одного знака.

5. Показано, что скопления краевых дислокаций, образующиеся при ультразвуковом озвучивании в местах, где отсутствует вакансионное пересыщение, (вблизи свободной поверхности кристалла, границ зерен), приводят к возникновению в этих местах внутренних растягивающих напряжений. Установлена зависимость напряжения, создаваемого этими скоплениями, от плотности краевых дислокаций в них. Получен критерий, при котором скопления краевых дислокаций, формируемые в результате ультразвукового воздействия на кристалл, создают внутреннее напряжение больше разрушающего.

6. Аналитически показано влияние призматических дислокационных петель на величину внутреннего напряжения в кристалле. Установлено, что возникают как нормальные (растягивающие), так и тангенциальные компоненты напряжения. Установлено влияние формы кристалла, его размеров, а также плотности и размера петель на величину напряжения. Максимальная величина нормальных напряжений возникает в центре скопления петель. Вблизи ребер озвучиваемого образца возникают максимальные тангенциальные напряжения. Дана оценка локальной плотности петель, необходимой для зарождения микротрещины и разрушения кристалла. Для хрупких образцов (кремния, германия) она

12 -3 порядка 3-10 см , а для пластичных - порядка 1016 - 1017 см "3, что во втором случае нереально.

7. Аналитически проанализировано изменение температуры кристалла при ультразвуковом воздействии на него и показано, что объем кристалла нагревается неравномерно, возникает градиент температуры и термоупругие напряжения. Установлено, что характерная величина термоупругих напряжений на несколько порядков меньше разрушающих напряжений.

8. Для большинства проанализированных процессов проведено численное моделирование и расчеты. Проведено также сравнение с опубликованными экспериментальными данными. Показано, что результаты экспериментов согласуются с выводами, полученными из развитой аналитической модельной теории.

9. Предложена модель хрупкого разрушения материалов, а также уточнены модели разрушения пластичных материалов при ультразвуковом воздействии. Определены причина и механизм разрушения хрупких и пластичных материалов при ультразвуковом воздействии на них, и установлены отличия в механизмах их разрушения. Установлено, что разрушение хрупких материалов (германий, кремний) связано с возникновением скоплений призматических дислокационных петель

12 -3 плотностью порядка 3-10 см , а в разрушение пластичных материалов вносит вклад формирование скоплений краевых дислокаций одного знака около поверхности образца, границ зерен и в местах, где отсутствует вакансионное пересыщение.

10. Полученные результаты позволяют оптимизировать режимы лоз обработки и упрочнения материалов ультразвуком для получения материалов с определенными свойствами, и прогнозировать и предотвращать разрушение материалов, подвергнутых высокочастотному деформированию. Также они могут быть использованы для оптимизации режимов деформационного старения и для оценки ширины зоны твердофазного соединения при коммутации кристаллов с металлическими проводниками.

Заключение

Развитые в настоящей работе модельные представления и полученные на их основе результаты указывают на возможность анализа и прогнозирования изменения дислокационной структуры материалов при их озвучивании.

Наиболее существенную роль в этих явлениях играют релаксационные процессы в' вакансионной системе. Изменение концентрации вакансий связано с изменением равновесной концентрации термических вакансий. Стоками или источниками для вакансий являются поверхность образцов, граница зерен и дефекты внутри материала.

Изменение вакансионной системы вызывает генерацию и рост вакансионных петель или же их уменьшение в размерах и исчезновение, а также переползание краевых дислокаций.

Изменение вакансионной системы при ультразвуковом воздействии имеет гистерезисный характер, эффект "вакансионного насоса", и поэтому происходят необратимые изменения в дислокационной структуре образца. В настоящей работе показано, что в особенности существенные изменения в дислокационной структуре следует ожидать в приповерхностных слоях образцов, а также около границ зерен и поверхности пучности стоячей волны.

Это очень важный для практики результат, так как поверхностные свойства очень существенны при выборе конструкционных материалов. Кроме того, его надо учитывать, если материалы будут работать в условиях высокочастотных циклических нагрузок.

Следует подчеркнуть, что в настоящей работе получены принципиально новые результаты, обоснованность которых вытекает из

J99 использования в качестве основы анализа классических теорий упругости и дислокаций.

В работе показано, что протекающие в системе процессы при высокочастотном и низкочастотном воздействии подобны. Это также показано аналитически впервые.

В общем виде построена аналитическая теория всех рассмотренных процессов и проанализирован их вклад в механизм разрушения. Предложена модель хрупкого и хрупко-пластичного разрушения материала. Показано принципиальное отличие в механизмах разрушения хрупких образцов от пластичных.

Естественно, что в такой теории приняты ряд упрощающих модельных допущений. Главным допущением было рассмотрение только одномерных процессов (тонкие образцы). Однако, все качественные выводы теории справедливы и для любых реальных ситуаций, и в принципе возможно трехмерное обобщение теории, хотя математически оно очень сложно. Но и в рассмотренном приближении результаты полезны для выбора оптимальных режимов обработки и упрочнения материалов ультразвуком, а также для получения материалов с определенными свойствами и для прогнозирования и предотвращения их разрушения.

1. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций.: Пер. с англ. - М.: Атомиздат, 1972.- 600 с.

2. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука, 1983. - 280 с.

3. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. -М.: Металлургия, 1975. С. 30.

4. Harris J.E., Masters B.C. On the lifetime of vacancies in thin foils made from quenched specimens.// The Philosophical Magazine.-1968.-V. 17.-N 146. -P 217-223.

5. Гегузин Я. E., Кривоглаз M. А. Движение макроскопических включений в твердых телах. —М.: Мир, 1971. 344 с.

6. De Kock A. J. R. The elimination of vacancy-cluster formation in dislocation-free silicon crystals.// Journal of the Electrochemical Society .-197 l.-V. 118. -N 11.-P. 1851 1856.

7. De Kock A. J. R., Roksnoer P. I., Boonen P. G. T. Effect of growth parameters on formation and elimination of vacancy clusters in dislocation-free silicon crystals.// Journal of Crystal Growth.-1974,-V. 22.-N 4.-P. 311 -320.

8. Seidman D. N., BalluffI R. W. In «Lattice Defects and their1.teractions'; ed. R.R. Hasigutu.- Cordon and Breach, 1968. 911 p.

9. Matthews J. W. Generation of large prismatic dislocation loops at inclusions in crystals.// Physica status solidi (a).- 1973.-V. 15.-N 2. -P. 607 -612.1. ЛОГ

10. Matthews J. W., Mader S. A mechanism for dislocation miltiplication at precipitates or inclusions in crystals.// Scripta METALLURGICAL 1972. -V. 6. -N 12. -P. 1195 -1198.

11. Захаров H. Д., Нойман В., Рожанский В. Н. Механизм образования дислокационных петель на выделениях фосфора в германии. // ФТТ. 1974. -Т. 16.-Вып. 5.-С. 1444 - 1450.

12. Захаров Н. Д., Рожанский В. Н., Корчагина Р. П. Дефекты, возникающие при распаде твердого раствора фосфора в германии.// ФТТ.- 1974. -Т. 16. Вып. 5. - С. 1444 - 1450.

13. Алехин В. П., Рагуля А. В., Еременко В.И. и др. О кинетической модели «вакансионного насоса» при циклическом сжатии кристалла.// ФММ.- 1988. Т. 65.-Вып. 1.-С. 190 - 197.

14. Араманович И.Г., Левин В.И. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1964. С. 219-226.

15. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды.- М.: Наука, 1981. 793 с.

16. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. -М.: Наука, 1973. -400 с.

17. Арсенин В.Я. Методы математической физики и специальные функции. М.: Наука, 1974. С. 310.

18. Бокштейн Б .С. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах. М.: Металлургия, 1974. С. 59-76.

19. Бокштейн Б.С. Диффузия вметаллах. -М.: Металлургия, 1978. С. 97-99.

20. Балаев Ю.Ф., Постников B.C. Об ультразвуковом нагреве металлов// ФХОМ. 1968. № 2. С. 117-119.

21. Кулемин A.B. Исследование диффузии в металлах при ультразвуковых деформациях. Автореферат дис.на соиск.учен.степ. к.ф-м.н. Москва. 1971.24 с.

22. Кулемин А.В. Ультразвук и диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978. 199 с.

23. Миротворский B.C., Волк В.Я. Ультразвук в машиностроении.-М. ЦНИИПИ. 1969. С. 31-36.

24. Воронков В.В., Воронкова Г.И., Иглицын М.И. Подвижность и концентрация вакансий в Gen Si //ФТП. 1972. Т. 6, №1.С. 20-24.

25. Фахем М.А. Дислокационное поглощение ультразвука и фотоакустический эффект в мрнокристаллах Ge и Si. Автореф. дис. насоиск. учен. степ, к.ф.-м.н. Тбилиси. 1977. 20 с.

26. Косевич A.M., Саралидзе З.К., Слезов В.В. Коалесценция дислокационных петель.// ФТТ. 1969. Т 6, № 11. С. 3383-3391.

27. Ж. Фридель Дислокации.- М.: Мир. 1967. 643 с.

28. Кириченко В.В., Слезов В.В., Рожанский В.Н. Исследование зарождения и укрупнения дислокационных петель при закалке и низкотемпературном отжиге// ФТТ. 1973. Т. 15, № 10. С. 2 8652870.

29. Koehler J.S. On the dislocation theory of plastic deformation // Nhe Physical Review. 1941. V. 60. N 5. P. 397-410.

30. H.A. Тяпунина, E.K. Наими, Г.М. Зиненкова Действие ультразвука на кристаллы с дефектами,- М. МГУ. 1999. 238 с.

31. Стоке Р.Дж. Микроскопические аспекты разрушения керамики.// В кн. Разрушение. Под ред. Г. Либовца М.: Мир. 1976. Т. 7, ч. 1.С. 129-142.

32. Рязанский В.П. Исследование температурного поля металлического стержня при облучении ультразвуком.//ФХОМ. 1976. № 6. С. 36-38.

33. Рязанский В.П. Исследование температурного поля при возбуждении ультразвуковых колебаний в металлическомстержне.// Акустический журнал. 1976. Т. 22, № 6. С. 944-947. *

34. Т.Д. Шермергор, В.П. Рязанский Исследование температурного поля при возбуждении ультразвуковых колебаний системы осесмметричных цилиндров.// Физика микроэлектронных приборов. М.: Сб.науч. трудов МИЭТ. 1982. С.3-8.

35. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1987. 246 с.

36. Кикоина И.К. Справочник «Таблицы физических величин». -М.: Атомиздат, 1976. 1006 с.

37. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по эмементарной физике. -М.: Наука, 1975. 255 с.

38. X. Кухлинг Справочник по физике. М.: Мир, 1982. 519 с.

39. F. Kroupa The interaction between prismatic dislocation loops and straight dislocation // The Philosophical Magazine. 1962. V. 7. N 77. P. 783-801.

40. Степанов Ю.Н. Влияние свободной поверхности и объ.мных дефектов на дислокационную структуру при циклической деформации кристаллов. Автореферат дис. на соиск. учен. степ, к.ф.-м.н. Воронеж. 1992. 15 с.

41. Мазур А.И., Алехин В.П., Шоршоров М.Х. в кн.: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-техн. совещ. «Новое в ультразвуковой технике и технологии». Воронеж. М.: НТОМашпром. 1974. 132 с.

42. Алехин В.П., Гусев Д.В., Мазур А.И. Исследование влияния ультразвуковых колебаний на образование соединения алюминия с монокристаллическим кремнием. //ФХОМ. 1971. № 3. С. 100-104.

43. Segall R.L., Partridge P.G. Dislocation arrangements in aluminium deformed in tension or by fatigue.// The Philosophical Magazine. 1959. V4. N.44. P. 912-919.

44. Брум Т., Хам K.K. Влияние точечных дефектов решетки на некоторые физические свойства металлов.// В кн. : Вакансии и точечные дефекты. М.: Металлургиздат. 1961. С. 54-98.

45. Абрамов О.В.,Добаткин В.И., Кулемин А.В. и др. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов. -М.: Наука, 1986. 277 с.

46. В.Ф. Белостоцкий, И.Г. Полоцкий Влияние ультразвукового облучения на концентрацию вакансий и дислокаций в никеле.// ФММ. 1973. Т.35, вып.2. С. 660-662.

47. Дамакс А., Дане Дж. Точечные дефекты в металлах. М.: Мир. 1966. 291 с.

48. Одинг И.А., Косякина Е.С. Методы выявления дислокаций в кристаллах. // Заводская лаборатория. 1962. № 4. С. 450-458.

49. Абрамов О.В., Ковалев А.И., Смирнов О.М. Влияние ультразвуковой обработки на дислокационную структуру алюминия и сплава А1 4% Си. // ФХОМ. 1974. № 4. С. 142144.

50. Ковш С.В., Котко В.А., Полоцкий И.Г. и др. Действие ультразвука на дислокационную структуру и механические свойства молибдена.// ФММ. 1973. Т. 35. № 6. С. 1199-1205.

51. Ассур Е.Л., Давиденков Н.Н., Терминасов Ю.С. Остаточные напряжения при простом растяжении.// ЖТФ. 1949. Т. 19. Вып. Ю.С. 1107-1111.

52. Анчев В.Х., Скаков Ю.А. Влияние ультразвука на микротвердость и дислокационную структуру меди.// Известия ВУЗ. Сер. Черная металлургия. 1974. № 11. С. 132-139.

53. Гиндин И.А., Неклюдов И.М., Старолат М.П. и др. Дислокационная структура никеля после знакопеременного нагружения с низкой и ультразвуковой частотами.// ФТТ. 1970. Т. 12, № 8. С. 2450-2459.

54. Wilson A. J. С., Frank F. С. Diffraction by a screw dislocation.// Letters in Research. Lond. 1949. V. 2. P. 541-543.

55. Ван Бюрен Дефекты в кристаллах. М.: Металлургиздат. 1962. 584 с.

56. Белозерова Э.П., Тяпунина Н.А. О зарождении дислокаций в кристаллах фтористого лития дод влиянием высокочастотной вибрации.//Кристаллография. 1966. T.l 1, № 4. С. 651-655.

57. Грабчак В.П., Кулемин А.В. Влияние ультразвука на диффузию атомов примесей и дислокационную структуру.// Акустический журнул. 1976. Т. 22, № 6. С. 838-844.1. Z-/&

58. Лангенекер В. Электронно-микроскопическое исследование образцов, подвергаемых воздействию ультразвука.// Приборы для научных исследований. 1966. Т. 37, № 1. С. 109-112.

59. Wood W. A., Cousland S. Mck., Sargant К. R. Systematic microstructural changes peculiar to fatigue deformation.// Acta Metallurgica. 1963. V. 11. N. 7. P. 643-652.

60. Тяпунина H.A., Штром E.B. Размножение дислокаций в монокристаллах цинка под влиянием ультразвука.// ФММ. 1968. Т. 32, №4. С. 744-747.

61. Базелюк Г.Я., Полоцкий И.Г. Действие ультразвукового облучения на дислокационную структуру и микротвердость монокристаллов меди.// Украинский физический журнал. 1974. Т. 19, №2. С. 208-210.

62. Полоцкий И.Г., Овсиенко Д.Е., Ходов Е.И. и др. Влияние ультразвука на степень совершенства монокристаллов алюминия, выращенных из расплава.//ФММ. 1966. Т. 21, № 5. С. 727-731.

63. Полоцкий И.Г., Мордюк Н.С., Базелюк Г.Я. Воздействие ультразвука на дислокационную структуру монокристаллов алюминия.// Металлофизика. 1970. № 29. С 99-101.

64. Белозерова Э.П., Тяпунина Н.А., Швидковский Е.Г. Размножение дислокаций в щелочногалойдных кристаллах под влиянием высокочастотной вибрации.// Кристаллография. 1963. Т.8, № 2. С. 232-237.

65. Тяпунина Н.А., Зиненкова Г.М., Нгуэн А. Механизмы размножения дислокаций и дислокационные конфигурации в монокристаллах цинка, деформированных ультразвуком.// В сб.хм

66. Трудов ФТИНТа «Динамика дислокаций». Харьков. 1968. С. 223-230.

67. Н.А. Тяпунина, Г.М. Зиненкова, С.В. Гаспарян и др. Дислокационная структура магния, деформированного ультразвуком.// ФММ. 1979. Т. 48, №5. С. 1017-1024.

68. Г.М. Зиненкова, Т.Н. Пащенко, Н.А. Тяпунина Двухслойные дислокационные сетки и механизмы их формирования.// Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов. Тула. Сб. Науч. Трудов ТПИ. 1980. С. 17-26.

69. Н.А. Тяпунина, В.В. Благовещенский, Г.М. Зиненкова и др. Особенности пластической деформации под действием ультразвука.// Известия ВУЗов, сер. Физика. 1982. № 6. С. 118128.

70. G.V. Bushueva, G.M. Zinenkova, V.I. Reshetov, and A. A. Khromov Ultrasound-induced dislocation configurations in CdS crystals.// Phis. Solid State. 1994. V 36 (3), March. P. 391-394.

71. Алехин В.П. Физические закономерности микропластической деформации и разрушения поверхностных слоев твердого тела. Автореферат дис. на соиск. уч. степ, д.ф.-м.н. Киев. 1978. 50 с.

72. Н.Ф. Вильданова, Н.И. Носкова, В.А. Павлов Влияние ультразвуковых колебаний на механические свойства и тонкуюzizструктуру алюминия и сплава алюминий-магний// ФММ. 1973. Т.36, вып.1. С.129-133.

73. Степанов Ю.Н., Алехин В.П., Гуров К.П. Диффузионная релаксация распределения вакансий при циклическом нагружении металлов// ФММ. 1991. № 4. С. 42-46.

74. Степанов Ю.Н., Алехин В.П., Гуров К.П. Релаксационные процессы при циклическом нагружении образца и наличии объемных источников и стоков вакансий// ФММ. 1991. № 5. С. 200-203.

75. Степанов Ю.Н., Алехин В.П., Гуров К.П. О вакансионных процессах при циклических нагрузках металлических систем и их влияние на дислокационную структуру// Металлофизика. 1991. Т. 13, № 8. С. 52-56.

76. Степанов Ю.Н., Гуров К.П., Алехин В.П. Дислокационная структура металлов при циклическом нагружении// Металлы.1992. №3. С. 163-165.

77. Степанов Ю.Н., Гуров К.П. Влияние циклических нагрузок на дислокационные петли в монокристаллах// ФХОМ. 1993. № 5. С. 107-112.

78. Степанов Ю.Н., Гуров К.П. Переползание краевых дислокаций при одноосных циклических нагрузках монокристаллов// ФХОМ.1993. №5. С. 113-116.

79. Степанов Ю.Н., Гуров К.П. О влиянии циклических нагрузок на рекристаллизационные процессы// ФХОМ. 1994. № 1. С. 146-147.

80. Степанов Ю.Н., Алехин В.П. Изменение распределения плотности краевых дислокаций в образце при возникновении стоячей волны// ФХОМ. 1999. № 1. С. 78-83.1. Zi3

81. Ю.Н. Степанов, В.П. Алехин О распределении плотности краевых дислокаций в металлическом образце при возникновении стоячей волны.// Металлы. 2000. № 2. С. 97-101.

82. Степанов Ю.Н. Механизм разрушения хрупких и пластичных образцов при ультразвуковом воздействии.// ФХОМ. 2000. № 5. С. 96-100.

83. Stepanov Y. N., Scorupsky A.M. Dislocation structure evolution in thin single crystal plates under cyclic loading.// ABSTRACTS 1995 FALL MEETING MATERIALS RESERCH SOCIETY. Boston, Massachusetts. 1995. P. 159.

84. Ю.Н. Степанов, В.П. Алехин Диффузионно-дислокационный механизм разрушения пластичных образцов при ультразвуковом озвучивании.// Вестник Тамбовского Университета. 2000. Т. 5, вып. 2-3. С. 185-186.