Введение к работе
Актуальность темы. Выяснение закономерностей и механизмов влияния электромагнитных полей на состояние и физические свойства кристаллов актуально в связи с тем, что позволяет интерпретировать свойства материалов на электронном уровне. Подавляющее большинство физических свойств кристаллических тел обусловлено дефектами структуры, поэтому изучение влияния магнитного поля (МП) на пластичность кристаллов, непосредственно связанную с типом, концентрацией и характером взаимодействия дефектов, позволяет выявить новые аспекты формирования свойств реальных кристаллов. В последнее время несколькими независимыми группами исследователей надежно установлено, что слабое МП с индукцией В ~ 1 Т влияет на пластичность ионных кристаллов. Показано, что существует, по меньшей мере, две группы причин возникновения магнитопластического эффекта (МПЭ): 1) влияние МП на взаимодействие дислокаций D и точечных дефектов Р (т.е. на процессы типа D+P<->M|) и 2) влияние МП на процессы внутри подсистемы точечных дефектов (т.е. процессы типа Р+Р<-^М?, где М) и Мг - квазнмолскулы, образующиеся из структурных дефектов и разрушающиеся при пластическом деформировании). Очевидно, для выявления природы обоих типов МПЭ необходимо создать экспериментальные условия, позволяющие исследовать их по отдельности. В частности, особый интерес представляет выявление механизмов влияния МП на процессы Р+Р->МЬ поскольку аналогичные эффекты в подсистеме точечных дефектов были обнаружены в кристаллах Si, Gc, а также в соединениях АцВуї- Это позволяет предполагать, что природа магнитопластических эффектов, обнаруженных в диамагнитных кристаллах, универсальна и может проявляться в широком спектре материалов.
Цель настоящей работы заключалась в установлении термодинамических причин, и кинетических особенностей-переходных процессов, стимулированных слабым МП в подсистеме точечных дефектов, а также в выявлении взаимосвязи между состоянием магнпточувствитсльных точечных дефектов и подвижностью дислокаций в ионных кристаллах. В соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи исследования:
1) создать экспериментальные условия для исследования той части МПЭ, за которую ответственны магниточувствительные точечные дефекты в объеме кристалла;
-
исследовать кинетические особенности движения индивидуальных дислокаций, инициированного МП в отсутствие внешней механической нагрузки, и установить, какой вклад в смещение дислокаций вносит реконструкция точечных дефектов, вызванная МП;
-
создать экспериментальные условия, позволяющие определить направление изменения термодинамического потенциала подсистемы точечных дефектов в процессах, протекающих под действием МП в кристалле без свежевведенных дислокаций;
4) исследовать возможности формирования и подавления
магниточувствительных состояний точечных дефектов под дей
ствием внешних воздействий немагнитного характера: пластиче
ского деформирования, электрического поля (ЭП), термической
обработки и света оптического диапазона;
5) предложить общую термодинамическую схему и возможные
механизмы влияния МП на пластические свойства ионных кри
сталлов через подсистему точечных дефектов, а также механизмы
влияния внешних воздействий (света, ЭП, термообработки и др.)
на МПЭ.
Научная новизна. Использование коротких (10 мс и менее) времен экспозиции кристаллов с дислокациями в МП позволило установить, что основная часть смещения дислокаций происходит не во время действия МП, а после его выключения. Корреляционный анализ движения дислокаций позволяет считать, что "запоминание" точечными дефектами факта обработки кристаллов в МП вносит существенный вклад в МПЭ.
Экспозиция кристаллов в МП до введения дислокаций инициирует в подсистеме точечных дефектов многостадийный релаксационный процесс, протекание которого сопровождается понижением термодинамического потенциала. МП играет роль "спускового крючка", способствуя выведению комплексов точечных дефектов из долгожнвущего метастабильного состояния. Подвижность дислокаций в кристаллах немонотонно меняется по мерс протекания нескольких стадий релаксационного процесса в под-сисісме ючечных дефектов.
Выявлена кинетика двух стадий магнчтостимулпрованной релаксации точечных дефектов. Первая стадия является мономолекулярной (внутрицентровой). При ее протекании, по-видимому, происходит распад метастабильных комплексов точечных дефектов на более мелюїе, что приводит к ослаблению торможения дислокаций и увеличению их пробегов при нагруженпи кристал-
лов механической нагрузкой. Вторая стадия релаксационного процесса является бимолекулярной (рекомбинационной). На этой стадии продукты распада исходных комплексов в результате случайных блужданий в кристаллической решетке объединяются в новые, уже нечувствительные к МП стабильные комплексы. В результате подвижность дислокаций частично восстанавливается.
Предварительная обработка кристаллов в импульсном ЭП с Е = 3-Ю6 В/м способствует возбуждению имеющихся в кристалле точечных дефектов и их переходу в метастабильное магн'иточув-ствптедьное состояние, т.е. ЭП сенсибилизирует точечные дефекты к внешнему МП.
Обнаружено, что свет оптического диапазона подавляет МПЭ. Спектроскопическими исследованиями установлено, что влияние света объясняется селективным возбуждением магннточувстви-тельных метастабильных комплексов точечных дефектов. Это указывает на электронную природу процессов, стимулированных МП в комплексах точечных дефектов.
Научная ценность и практическая значимость работы. Научная ценность полученных результатов заключается в выявлении термодинамических аспектов влияния слабого МП на процессы в твердых телах, протекание которых требует значительных затрат энергии при традиционных методах внешних воздействий. Созданные экспериментальные ситуации могут играть роль модельных при исследовании влияния МП на процессы в более сложных биологических системах.
Практическая значимость связана с возможностью использования полученных результатов в качестве физической основы для создания новых энергосберегающих технологий обработки материалов, в частности, нетермических методов увеличения скорости релаксации, стабилизации дефектной структуры твердых тел, пребывающих в метастабильном состоянии.
Апробация работы. Полученные результаты были представлены на следующих конференциях и семинарах:
Международный семинар "Механохимия и механическая активация" (Санкт-Петербург, 1995).
Международный семинар "Релаксационные явлення в твердых телах" (Воронеж, 1995).
IV Международная конференция "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1996).
Международная конференция "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 1996).
IX Международная конференция "Взаимодействие дефектов и нсупругис явления и твердых телах" (Тула, 1997).
The Vtli International Symposium "Magnetic Field and Spin Effects in Chemistry and Related Phenomena" (Jerusalem, Israel, 1997).
XXXiV Международный семинар "Актуальные проблемы прочности" (Тамбов, 1998).
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
-
Существенная часть магнитопластического эффекта в ионных кристаллах объясняется влиянием МП на состояние комплексов точечных дефектов в объеме образца.
-
Влияние МП на состояние точечных дефектов в ионных кристаллах является необратимым. Необходимым условием этого влияния являются биографические или индуцированные внешними воздействиями метастабильные состояния точечных дефектов.
-
Пластическое деформирование, термообработка, импульс-нос ЭП при определенных условиях формируют в кристалле маг-ниточувствительные состояния комплексов точечных дефектов, скорость релаксации которых может быть увеличена в МП.
-
Под действием ультрафиолетового (УФ) света с энергией квантов меньшей, чем ширина запрещенной зоны, происходит изменение электронного состояния комплексов точечных дефектов, в результате которого они теряют чувствительность к МП. Тсрмоактивированнос восстановление чувствительности кристаллов к МП может быть ускорено инфракрасным (ИК) светом.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и списка цитированной литературы, содержащей 215 наименований. Полный объем составляет 190 страниц машинописного текста, в том числе 39 иллюстраций.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертационной работе. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит разработка, создание и отладка экспериментальных установок, проведение экспериментов, а также участие в планировании экспериментов, обсуждеш.и результатов и написании, статей.
Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Госкомитета РФ по высшему образованию (грант № 95-0-7.1-58), Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант № 97-02-16074), Фонда Дж.Сороса (грант № а98-388) и Тамбовской областной администрации (1997 г.).
