Введение к работе
Актуальность темы. Целенаправленное изменение механических и физических свойств твердых тел посредством легирования их атомами других веществ - одно из важных направлений исследований физического материаловедения. Например, малые добавки примесных атомов ванадия, циркония, цезия улучшают структуру и свойства стали; рений устраняет хрупкость вольфрама и молибдена. Наоборот, очистка меди от висмута, а титана от водорода приводит к исчезновению хрупкости этих металлов. Такого рода изменения относятся ко всему образцу в целом и в большей степени определяются взаимодействием дислокаций с точечными дефектами.
Если в кристалле имеются макроскопления дислокаций (например, полосы скольжения, полосы Людерса), то происходит их насыщение точечными дефектами и свойства этих зон должны отличаться от свойств остальных участков. Учет изменений свойств участков кристалла с локальными скоплениями дислокаций при различного рода воздействиях необходим и значим для оценки свойств кристалла в целом.
Задачей физического материаловедения является также поиск методов и условий залечивания микро- и макротрещин внутри образца и на его поверхности. Разработка таких методов и создание условий восстановления сплошности кристалла принципиально важно. Исследование механизмов залечивания несплошности в кристаллах с учетом неоднородности их дислокационной структуры, в свою очередь, позволяет расширить информацию о свойствах исследуемых материалов.
Таким образом, неоднородность дислокационной структуры и связанные с этим флуктуации примесного состава должны оказывать заметное влияние на механические свойства кристалла, оптическую прочность, физические свойства, их необходимо учитывать при создании условий, обеспечивающих восстановление сплошности кристалла. Это дает основание считать постановку таких исследований актуальной.
Цель и задачи исследований. В работе была поставлена цель: исследовать влияние неоднородностей дислокационной структуры и связанного с этим локального перераспределения примесей на процессы разрушения и залечивания несплошностей в щелочногалоидных кристаллах (ЩГК).
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
-
Исследовать влияние неоднородности дислокационной структуры и состояния примесей в ЩГК на механические свойства монокристаллов при индентировании и разрушении образца трещиной скола.
-
Определить влияние ориентации индентора (пирамидка Виккерса) и его геометрии на образование трещин при индентировании и установить механизм зарождения разрушения.
-
Определить влияние одновременного воздействия нагрева и электрического поля на процессы залечивания микро- и макротрещин в кристаллах с неоднородной дислокационной структурой.
-
Определить закономерности и параметры эмиссионного ионного тока, возникающего с поверхности ЩГК в воздухе и в вакууме, а также микроморфологические особенности поведения поверхности скола ЩГК при нагреве в электрическом поле.
-
Аналитически найги взаимосвязь различных параметров, характеризующих состояние кристалла (сплошного и с трещиной скола) в условиях одновременного воздействия на него нагрева и электрического поля.
-
Провести качественную оценку оптической прочности ЩГК, содержащих локальные участки скоплений краевых дислокаций.
Научная новизна. Получены следующие новые результаты:
-
Обнаружена при микроиндентировании повышенная растрес-киваемость монокристаллов LiF в участках скопления исходных краевых дислокаций. В скоплениях исходных винтовых дислокаций и свободных от дислокаций участках трещины не зарождались во всем интервале нагрузок на индентор.
-
Обнаружена ориентационная зависимость растрескивания кристаллов LiF. При ориентации диагонали (d) отпечатка параллельно направлениям <110> (d 11<110>) микротрещины зарождаются всегда.
-
Установлено, что одновременное воздействие на ЩГК нагрева и электрического поля приводит к залечиванию микро- и макротрещин в образцах.
-
При одновременном теплоэлектрическом воздействии на кристалл происходит изменение поверхностей искусственно введенной в него трещины скола. Это проявляется в образовании монокристаллических наростов и дислокационных "розеток" на поверхностях трещины.
-
В вакууме установлены закономерности эмиссии ионов с поверхности ЩГК в условиях одновременного воздействия на них нагрева и постоянного электрического поля. Оценена работа выхода ионов при различной полярности поверхности. Показано, что концентрация точечных дефектов в испытываемом участке поверхности оказывает существенное влияние на эту величину.
-
Получена система дифференциальных уравнений, позволяющая определить зависимости между различными параметрами теплоэлектри-ческого воздействия па кристалл и его состоянием.
-
Неоднородность дислокационной структуры кристалла, обуславливающая перераспределение точечных дефектов, понижает оптическую прочность кристаллов LiF.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Исходная дислокационная структура монокристаллов LiF, влияющая на перераспределение примесных и точечных дефектов в них, способствует тому, что области поверхности образца со скоплениями исходных краевых дислокаций имеют иные механические свойства в сравнении с остальными ее участками при воздействии на поверхность сосредоточенной нагрузкой. Предложен механизм образования трещин.
-
Микроиндентирование пирамидкой Виккерса монокристаллов LiF приводит к стабильному растрескиванию поверхности при ориентации диагонали отпечатка d 11 <110>. Участки скоплений исходных краевых дислокаций при воздействии индентором, напротив, более трещиностой-ки в сравнении с остальными участками поверхности кристалла. Предложен механизм, объясняющий ориентационную зависимость растрескивания при индентировании.
-
Одновременное воздействие на ЩГК с искусственно введенной в них трещиной по плоскости {100} или {110} нагрева и электрического поля, ориентированного нормально к поверхностям полости трещины, приводит к восстановлению сплошности за счет массопереноса при электролизе.
-
Воздействие на трещины в ЩГК постоянным электрическим полем при повышенной температуре приводит к изменениям поверхностей дефекта. Это связано с эмиссионным ионным током между берегами трещины, механоэмиссией ионов и рекомбинационной кристаллизацией.
-
Работа выхода ионов с поверхности ЩГК, определенная в условиях одновременного воздействия на нее нагрева и электрического поля, зависит от полярности поверхности и концентрации примесных и точечных дефектов в ней.
-
Аналитическое прогнозирование залечивания и выбора оптимальных режимов воздействия на кристалл, не приводящих к его проплавленню.
-
Лазерная прочность в оптически прозрачном для ЩГК диапазоне зависит от его исходной дислокационной структуры, обуславливающей локальное повышение концентрации точечных дефектов в скоплениях краевых дислокаций.
Практическая ценность. Полученные в работе экспериментальные данные, свидетельствующие о заметном изменении механических свойств локальных участков кристалла при индентировании, обусловленном его исходной дислокационной структурой, могут быть полезны в исследованиях прочности и пластичности кристаллов при других видах энергетического воздействия.
Обнаруженное аномальное растрескивание кристаллов при ориентации индентора d 11< 110> существенно для понимания самопхпроса ин-дентирования. При исследовании монокристаллов методом микроинден-тирования необходимо учитывать ориентацию индентора.
Предложен способ воздействия на ионные кристаллы (нагрев и электрическое поле), позволяющий быстро и качественно заживлять микро- и макротрещины в плоскостях первичной и вторичной спайности. Обнаруженные при этом изменения поверхностей несплошности представляют самостоятельный научный интерес и могут способствовать более глубокому пониманию процессов, происходящих на поверхности кристаллов и свойств самой поверхности.
Один из этапов восстановления сплошности - рекомбинационная кристаллизация - может стать основой метода получения блоков с чередующимися кристаллическими структурами.
Исходная дислокационная структура ЩГК является одним из факторов, ответственных за разрушение их при лазерном воздействии. Это необходимо учитывать в исследованиях оптической прочности и при изготовлении оптических систем.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференциях преподавателей и сотрудников ТГУ (1988-1996 г.г.), XII и XIV Всесоюзных конференциях "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов" (Куйбышев, 1989 г., 1995 г.), Всесоюзном семинаре "Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (Новокузнецк, 1991 г.), II-й Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1994 г.), Ш-й Международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1994 г.), 1-й Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1994 г.), Международной конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 1996 г.), ІХ-й Международной конференции "Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах"(Тула, 1997 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 работ, основные из них приведены в конце реферата.
Личный вклад автора. Основные результаты и выводы диссертации получены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе и списка цитированной литературы. Работа содержит 145 страниц текста, включая 36 рисунков и библиографию из 199 наименований.
