КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 69, № 6, с. 834-838
УДК 548.4:541.12.038.2
Посвящается Людмиле Алексеевне Кочановой
О ВЛИЯНИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ НА ДИНАМИКУ ДИСЛОКАЦИЙ В ИОННЫХ КРИСТАЛЛАХ
© 2007 г. В. И. Савенко, Е. Д. Щукин
Институт физической химии и электрохимии им АН. Фрумкина РАН 119991 Москва, Ленинский проспект, 31 Поступила в редакцию 20.02.2007 г.
Методом дислокационных розеток укола, возникающих в щелочно-галоидных монокристаллах при их микроиндентировании, исследовано влияние состояния поверхности и граничных физико-химических условий на стартовые напряжения и динамику приповерхностных дислокаций в кристаллах фторида лития и хлорида натрия. Показано, что в кристаллах со связями ионного типа существует поверхностный энергетический (потенциальный) барьер, тормозящий движение приповерхностных дислокаций и влияющий на их стартовые напряжения в кристаллической решетке.
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с развитыми ранее представлениями пластическое течение кристалла, обусловленное перемещением дислокаций и их выходом на поверхность, в общем случае должно сопровождаться преодолением дислокациями поверхностного энергетического (потенциального) барьера [1]. Его характеристики определяются дополнительными энергетическими затратами, необходимо сопутствующими актам перестроения, переключения и разрыва межатомных связей в приповерхностном слое образца, которые происходят при создании элементарных ячеек новой поверхности кристалла. Снижение высоты этого барьера под влиянием различных физико-химических факторов может привести к увеличению подвижности дислокаций и, в макроаспекте, - к проявлению одной из форм эффекта Ребиндера -пластифицированию твердого тела.
Теоретические оценки [1, 2] свидетельствуют о том, что такой поверхностный потенциальный барьер должен существовать в твердых телах с межатомными связями различного типа в кристаллической решетке. Вместе с тем, авторы ряда работ (см., например, [3, 4]) полагают, что поверхностный потенциальный барьер наличествует лишь у некоторых легкоплавких металлов типа свинца.
Данная работа посвящена прямому экспериментальному доказательству существования поверхностного потенциального барьера, тормозящего движение дислокаций, в кристаллах с ионным типом связи. Проанализированы также возможности снижения высоты этого барьера под действием адсорбции поверхностно-активных веществ.
Для решения поставленной задачи было изучено влияние физико-химических условий на поверхности образцов на динамические характеристики и стартовые напряжения дислокаций, возникающих при микроконтактном воздействии на приповерхностные слои монокристаллов ЫБ и №С1.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе были использованы образцы ЫБ и №С1, имевшие пределы текучести, соответственно, 2.0 и 1.2 МПа; суммарное содержание двухвалентных примесей в образцах не превышало 10-3 ат. %, а плотность ростовых дислокаций не превосходила 10-4 см-2. Дислокационные структуры, образующие так называемые "розетки укола", создавали путем микроиндентирования граней типа {001} зеркальных сколов образцов, часть из которых находилась в инертной среде (обезвоженном и очищенном от полярных примесей гептане), а часть - в воздушной атмосфере, содержавшей пары воды (при относительной влажности 60%). Микроиндентирование проводили на модифицированном микротвердомере ПМТ-3, снабженном системой нагружения, защищенной от воздействия вибраций [5]. Нагрузку на индентор варьировали в интервале (0.32-100.0) х х 10-2 Н. Длительность единичного акта инденти-рования во всех случаях не превышала 15 с. После проведения серии испытаний каждый образец подвергали избирательному химическому травлению в стандартных травителях [6], выявлявших вокруг уколов дислокационные розетки фигур травления (РФТ) (см. рис. 1).
Для количественной характеристики дислокационной структуры РФТ использовали длины (£е, и
Рис. 1. Общий вид и геометрические характеристики дислокационной структуры розетки укола, созданной в образце №01 в гептане при нагрузке на индентор Р = 3.27 х 10-2 Н.
✓ I '
!'_101
/ J 1
110
/ ^ ^
Рис. 2. Схематическое изображение краевой - в плоскости (110) и винтовой - в плоскости (101) дислокационных полупетель, образующих объемную структуру лучей розетки укола в кристаллической решетке типа N01. Ь - вектор Бюргерса дислокации.
ширины (4е, 4,), соответственно, краевых и винтовых лучей розеток, а также расстояния между дислокациями в этих лучах. Знание указанных характеристик позволяло, опираясь на известные модельные схемы [7, 8], рассчитать значения стартовых напряжений соответствующих дислокаций. При расчетах использовали численные значения характеристик, найденные путем усреднения по выборкам, каждая из которых состояла не менее чем из пятидесяти РФТ, полученных при одинаковых условиях эксперимента.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При выбранном методе испытаний движение по поверхности образца точек выхода винтовых дислокационных полупетель, перемещающихся в соответствующих лучах розеток, сопровождается образованием ячеек новой поверхности [9]. Краевые же дислокационные полупетли при своем движении новой поверхности не образуют (рис. 2). Поэтому в условиях, когда адсорбция поверхностно-активной среды (в данном случае - молекул воды) приводит к существенному уменьшению работы образования новой поверхности, заметнее всего должны увеличиваться пробеги винтовых дислокаций. Что касается подвижности краевых дислокаций, то она тоже может увеличиваться, т.к. поверхностно-активная среда облегчает не только разрыв межатомных связей, но и их переключение. Однако при временах контактного воздействия, не превышающих характерные временные интервалы открепления дислокаций от сильных внутриобъемных стопоров кристаллической решетки, составляющих десятки секунд
(см. например, [10]), этот второй эффект должен быть намного слабее. Важнейшую роль при этом играет то обстоятельство, что для осуществления реакций переключения межатомных связей по сравнению с их разрывом требуются гораздо менее значительные энергетические затраты. Поэтому подвижность краевых дислокаций в ионных кристаллах контролируется их взаимодействием главным образом с точечными дефектами кристаллической решетки [11]. Таким образом, влияние активной среды на изменение подвижности краевых дислокаций возможно наблюдать лишь при более длительных (от десятков минут до нескольких часов) временах индентирования образца [12].
Полученные в данной работе и частично приведенные в табл. 1 экспериментальные данные подтверждают эти предположения. Из экспериментов следует, что длины пробега лидирующих винтовых дислокаций в лучах розеток, созданных
Таблица 1. Значения длин лучей РФТ, созданных в ЩГК при нагрузке на индентор Р = 0.54 х 10-2 Н при испытаниях в различных средах
Кристалл Длина Гептан Воздух А///, %
LiF €е, мкм 32.5 32.7 0.6
мкм 24.8 25.0 0.8
№С1 €е, мкм 64 64 0
мкм 24 29 21
Примечание: коэффициенты вариации численных значений величин, приведенных в этой и следующих таблицах, не превышают 2%.
Таблица 2. Геометрические характеристики дислокационных розеток, созданных в кристаллах ЫБ различными инденторами при нагрузке Р = 0.2 Н
Вид индентора и радиус его закругления Стальной шар, Я = 460 мкм Алмазный конус, Я = 120 мкм Корундовый конус, Я = 75 мкм Стальной конус, Я = 17 мкм Пирамида Виккерса, гребень ~ 1 мкм
Диаметр отпечатка Б, мкм 31 21 19 16 15
Тангенс угла вдавливания, Б/2Я 0.03 0.09 0.13 0.47 0.37
€е, мкм 210 211 210 212 210
мкм 154 156 155 159 153
мкм 23 22 20 21 17
4,,мкм 21 20 18 19 19
1.36 1.35 1.35 1.32 1.37
Примечание: коэффициент вариации средних значений диаметров отпечатков Б составляет = 5%.
на кристаллах №С1, в гептане в среднем на 21% меньше, чем на воздухе, т.е. в ситуации, когда адсорбция молекул воды снижает поверхностную энергию твердого тела (№С1) почти в три раза [13]. В то же время, относительно небольшое (примерно на 30%) снижение поверхностной энергии кристаллов ЫБ под действием адсорбции воды не приводит к надежно определяемому (по сравнению со статистической ошибкой эксперимента) систематическому изменению подвижности винтовых дислокаций в этих кристаллах. Условия данных экспериментов оказались также недостаточно благоприятными для того, чтобы непосредственно выявить изменение подвижности краевых лидирующих дислокаций, которое было бы прямо связано со снижением высоты поверхностного потенциального барьера в исследовавшихся кристаллах.
По положению ямок травления лидирующих дислокаций в РФТ была проведена оценка их стартовых напряжений. Для этой цели, прежде всего, использовалось решение так называемой контактной задачи Буссинеска [14]. Как известно, решение Буссинеска применимо для оценки напряжений в материале лишь в условиях точечного контакта. Для проверки выполнимости критерия "точечности" контакта в работе были изучены дислокационные структуры РФТ, полученные при микроиндентировании образцов ЫБ в широком диапазоне нагрузок инденторами разной формы, изготовленными из различных материалов. В качестве инденторов использовали, в частности, стальные, корундовые и алмазные сферы и конусы с радиусами закругления рабочей части от 17 до 460 мкм, а также алмазная пирамида Вик-керса с углом при вершине 136°. Результаты этого исследования, частично приведенные в табл. 2, показали, что при одной и той же нагрузке на ин-дентор длины лучей дислокационных розеток не зависят (в пределах ошибок опыта) от угла вдавливания, формы и материала индентора. Это позволяет в первом приближении считать контакт
точечным и использовать решение классической задачи Буссинеска для оценки стартовых напряжений теПя дислокаций по положению головных ямок травления, принадлежащих дислокациям, лидирующим в лучах РФТ. На возможность применения для этой цели решения Буссинеска ранее было указано в работах [15, 16]. Соответствующие соотношения имеют следующий вид:
< = (1-2 V) Р/4л€2
в случае оценки стартовых напряжений краевых дислокаций,
т*п = (1-2 V) Р/8^
в случае оценки стартовых напряжений винтовых дислокаций. Здесь V - коэффициент Пуассона материала, Р - нагрузка
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.