CC BY
36
УДК 539.377
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1317-1319
КРИТИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ДИССИПАТИВНЫХ СТРУКТУР ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КОВАЛЕНТНЫХ КРИСТАЛЛОВ а-Те02
© Н.П. Скворцова
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, г. Москва, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Впервые исследованы критические условия реализации сдвиговой неустойчивости и локализации деформации в ковалентных кристаллах парателлурита. Определена энергия активации неустойчивого пластического течения в микрополосах локализованного сдвига. Физический механизм локализованной деформации основывается на представлениях о спонтанной самоорганизации дефектной структуры в локальных областях кристалла. Ключевые слова: сдвиговая неустойчивость; локализация деформации; парателлурит.
Явление высокотемпературной суперлокализации пластической деформации впервые открыто примерно три десятилетия тому назад в Институте кристаллографии РАН в неметаллических кристаллах [1]. Эффект проявляется в деформационном расслоении кристаллов на локальные зоны интенсивного сдвигообразования при температурах выше половины абсолютной температуры плавления. Величина деформации в полосах локализованного сдвига (ПЛС) составляет —103—104 % в ионных [1-4] и ~102 % в ионно-ковалентных кристаллах [5-6] при средней деформации образца менее 10 %. В работе [7] впервые обнаружены проявления локализации деформации в ковалентных кристаллах парател-лурита при температуре Т > 900 К В работе [8] экспериментально изучались потеря устойчивости пластического течения и локализация деформации при высокотемпературном нагружении кристаллов a-TeO2. Выявлены различные каналы потери устойчивости деформации: высокотемпературный «зуб» текучести, прерывистое немонотонное течение и глобальная потеря устойчивости, проявляющаяся в катастрофическом развитии трещин и разрушении материала при деформации 8 > 10 %. Фактически речь идет о новой моде потери устойчивости деформируемого кристалла с переводом его пластического течения в автокаталитический режим сильно коррелированного движения больших групп дислокаций [8]. Исследование критического поведения ансамбля пространственно-упорядоченных микрополос локализованного сдвига, лежащих в основе сопротивления материала высокотемпературному деформированию, требует дополнительных исследований. Целью настоящей работы является исследование критического поведения диссипативных структур при высокотемпературной пластической деформации кристаллов a-TeO2.
Кристаллы парателлурита имеют решетку рутила и обладают слабо выраженной спайностью по плоскостям {100} [9]. Парателлурит проявляет очень высокую анизотропию упругих свойств - модуль Юнга в направлении [110] почти в 13 раз больше, чем в направ-
лении [100]. Парателлурит кристаллизуется в рамках ацентричной тетрагональной пр. гр. Р432^ с параметрами элементарной ячейки а = 0,48 нм, с = 0,76 нм.
Выращивание монокристаллов парателлурита производили на специально разработанных и изготовленных в ИК РАН установках серии КРОТ [7]. Кристаллы выращивались из расплава методом Чохральского в направлении <110> на воздухе при атмосферном давлении. При использовании в качестве шихты TeO2 квалификации ОСЧ основными примесями, как показал проведенный атомно-эмиссионный спектральный анализ, являлись Л!, Си, Fe, Mg, Bi, Si. Содержание каждого элемента составляло ~2-10-4 В выращенных кристаллах содержание примеси снижалось на порядок. Использование шихты более высокого качества (содержание примеси на уровне 2-3• 10-5 мас.% по перечисленным ионам) не приводит к заметному изменению условий роста или совершенства кристаллов, кроме некоторых оптических свойств.
Из полученных монокристаллов вырезались образцы размером ~4х4х8 мм3 трех различных кристаллографических ориентаций для испытаний на сжатие. Боковые стороны образцов, ориентированных вдоль двух «мягких» [221] и [110] направлений, были попарно параллельны плоскостям {110}и {114} и плоскостям {001} и {110} соответственно. Боковыми сторонами образцов с ориентацией оси сжатия вдоль направления [100] являлись плоскости {001}. Исходная плотность дислокаций, выявляемых в плоскости (110) методом избирательного химического травления в 50 %-ном растворе НС1, составляла 107-108 м-2.
Механические испытания образцов проводились на машине Инстрон в интервале температур Т = 733993 К (0,73-0,99) Тт (Тт - температура плавления) на воздухе в специальном реверсе с рубиновыми пуансонами. Скорость перемещения пуансонов при сжатии была 0,8310-6 м/с, что соответствовало скорости деформации 1,05-10-4 с-1. Методика проведения высокотемпературных испытаний подробно описана в [6-7].
ISSN 1810-0198. Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки
Рис. 1. Температурная зависимость критических напряжений неустойчивого пластического течения а^ кристаллов TeO2, ориентированных вдоль кристаллографических направлений [110] (кривая 1) и [221] (кривая 2) в обычных (а) и аррениу-совских (Ь)координатах
Получены диаграммы «напряжение - пластическая деформация» а(е), из которых определялись критические параметры неустойчивого пластического течения (8сг, °сг). Структура образцов после высокотемпературной деформации изучалась методами оптической и интерференционной микроскопии. Все микроструктурные наблюдения выполнены на боковых гранях деформированных образцов.
Микроскопические исследования деформированных образцов показали, что начиная с начальных степеней деформации распределение сдвиговой деформации имеет неоднородный характер при температурах Т > 900 К. Пластическая деформация развивается в узких дискретных зонах шириной примерно 30-40 мкм. На протяжении всей деформации в зоне локализованного течения сохраняются свойства скольжения по вполне определенным для данной рутиловой структуры плоскостям. Идентифицированы системы активного скольжения, вдоль которых ориентируются локальные микросдвиги. При сжатии вдоль направления [221] активизируется первичная система скольжения (001)[100] с ориентационным множителем Шмида f= 0,3. При сжатии вдоль [110] действуют две ортогональные системы скольжения {010}<100> с одинаковым ориентационным множителем f = 0,5. На гранях
деформированных образцов, перпендикулярных вектору Бюргерса подвижных дислокаций, следы локальных микросдвигов проявляются в виде волнистых, разветвляющихся и расщепляющихся ступенек. Ансамбль микросдвигов образуется путем коррелированного движения дислокаций, движущихся самосогласованно во времени и пространстве. В результате образуется система стационарных пространственно-упорядоченных локальных сдвигов с характерным масштабом периодичности для данных условий деформации.
Впервые исследованы критические условия реализации сдвиговой неустойчивости и локализации деформации в кристаллах Те02. На рис. 1 представлена температурная зависимость критических напряжений неустойчивого пластического течения осг кристаллов Те02, ориентированных вдоль кристаллографических направлений [110] (кривая 1) и [221] (кривая 2) в обычных (а) и аррениусовских (Ь) координатах. Показано, что величина критических напряжений осг обнаруживает устойчивую тенденцию к снижению с повышением температуры деформирования в кристаллах с ориентацией оси сжатия вдоль [110] и [221] направлений (рис. 1а). Для сравнения отметим, что наблюдаемая величина критических напряжений неустойчивого пластического течения в Те02 превосходит значение осг в ЫЕ примерно на два порядка при температуре 0,9Тт. Наблюдаемые проявления неустойчивости пластического течения являются следствием катастрофического разупрочнения в ПЛС.
Величина энергии активации формирования локальных сдвигов, определенная по наклону зависимости 1посг (1/Т), равна ~ 0,41 и ~ 0,81 еУ для образцов, ориентированных вдоль [110] и [221] соответственно (рис. 1Ь). Показано, что изменение кристаллографической ориентации образцов от [110] к [221] приводит к двукратному увеличению величины энергии активации локализованной деформации. Таким образом, монокристаллы Те02 демонстрируют достаточно сильную ориентационную зависимость энергии активации неустойчивого пластического течения в ПЛС (рис. 1). Существенное отличие энергии активации образования локальных микросдвигов связано, по-видимому, с различной степенью деформационного измельчения нанозерен в ПЛС и формированием нанокристаллической структуры в локальных областях кристаллов, ориентированных вдоль кристаллографических направлений [110] и [221]. Физический механизм локализованной деформации основывается на представлениях о спонтанной самоорганизации дефектной структуры в ПЛС [5-8].
Итак, результаты, полученные на ковалентных кристаллах Те02, а также экспериментальный материал, полученный ранее на ионных и ионно-ковалентных кристаллах, показывают, что высокотемпературную суперлокализацию пластической деформации не следует рассматривать, как некий частный случай, наблюдаемый для одного специфического материала или условия нагружения. Для кристаллов с различной структурой и разными типами межатомной связи локализация пластической деформации является наиболее общей и фундаментальной закономерностью процесса высокотемпературного структурообразования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бережкова Г.В., Скворцова Н.П., Регель В.Р., Перстнев П.П.
Локализация пластической деформации в монокристаллах фтори-
стого лития при повышенных температурах // ФТТ. 1984. Т. 26. № 4. С. 1074-1079.
2. Скеорцоеа Н.П. Пластическая деформация и деформационное разупрочнение монокристаллов LiF при высоких температурах // ФТТ. 1995. Т. 37. № 11. С. 3347-3353.
3. Скеорцоеа Н.П. Дислокационная структура полос локализованного сдвига при высокотемпературном нагружении монокристаллов LiF // Материаловедение. 1999. № 4. С. 10-14.
4. Скеорцоеа Н.П. Скачкообразная пластическая деформация монокристаллов LiF при высоких температурах // Кристаллография. 2002. Т. 47. № 4. С. 697-701.
5. Скеорцоеа Н.П. Локализация пластической деформации монокристаллов фторида бария при повышенных температурах // ФТТ. 2006. Т. 48. № 1. С. 70-73.
6. Скворцова Н.П., Кривандина Е.А., Каримов Д.Н. Локализация пластической деформации в кристаллах фтористого кальция при повышенных температурах // ФТТ. 2008. Т. 50. № 4. С. 639-643.
7. Скворцова Н.П., Ломонов В.А., Виноградов А.В. Рост и механические свойства монокристаллов парателлурита при высоких температурах // Кристаллография. 2011. Т. 56. № 1. С. 72-76.
8. Скворцова Н.П. Высокотемпературная локализация пластической деформации и разрушение монокристаллов парателлурита // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 4. С. 1652-1654.
9. Peter A., Fries E., Janszky J., Castaing J. Dislocations in paratellurite TeO2: elastic energies and plastic deformation // Revue Phys. Appl. 1986. V. 21. P. 289-298.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.377
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1317-1319
CRITICAL BEHAVIOR OF THE DISSIPATIVE STRUCTURES DURING PLASTIC DEFORMATION IN a-TeO2 COVALENT CRYSTALS AT HIGH TEMPERATURES
© N.P. Skvortsova
Shubnikov Institute of Crystallography of RAS, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected]
The critical conditions of realization of shear instability and strain localization in covalent paratellurite crystals are studied for the first time. The activation energy of unstable plastic flow in localized shear microbands is determined. The physical mechanism of localized deformation is based on the concepts about spontaneous self-organization of the defect structure in the local regions of crystal. Key words: shear instability; strain localization; paratellurite.
REFERENCES
1. Berezhkova G.V., Skvortsova N.P., Regel' V.R., Perstnev P.P. Lokalizatsiya plasticheskoy deformatsii v monokristallakh ftoristogo litiya pri povyshennykh temperaturakh. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 1984, vol. 26, no. 4, pp. 1074-1079.
2. Skvortsova N.P. Plasticheskaya deformatsiya i deformatsionnoe razuprochnenie monokristallov LiF pri vysokikh temperaturakh. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 1995, vol. 37, no. 11, pp. 3347-3353.
3. Skvortsova N.P. Dislokatsionnaya struktura polos lokalizovannogo sdviga pri vysokotemperaturnom nagruzhenii monokristallov LiF. Materialovedenie - Material science, 1999, no. 4, pp. 10-14.
4. Skvortsova N.P. Skachkoobraznaya plasticheskaya deformatsiya monokristallov LiF pri vysokikh temperaturakh. Kristallografiya -Crystallography Reports, 2002, vol. 47, no. 4, pp. 697-701.
5. Skvortsova N.P. Lokalizatsiya plasticheskoy deformatsii monokristallov ftorida bariya pri povyshennykh temperaturakh. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 2006, vol. 48, no. 1, pp. 70-73.
6. Skvortsova N.P., Krivandina E.A., Karimov D.N. Lokalizatsiya plasticheskoy deformatsii v kristallakh ftoristogo kal'tsiya pri povyshennykh temperaturakh. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State, 2008, vol. 50, no. 4, pp. 639-643.
7. Skvortsova N.P., Lomonov V.A., Vinogradov A.V. Rost i mekhanicheskie svoystva monokristallov paratellurita pri vysokikh temperaturakh. Kristallografiya - Crystallography Reports, 2011, vol. 56, no. 1, pp. 72-76.
8. Skvortsova N.P. Vysokotemperaturnaya lokalizatsiya plasticheskoy deformatsii i razrushenie monokristallov paratellurita. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki - Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences, Tambov, 2014, 2013, vol. 18, no. 4, pp. 1652-1654.
9. Peter A., Fries E., Janszky J., Castaing J. Dislocations in paratellurite TeO2: elastic energies and plastic deformation. Revue Phys. Appl., 1986, vol. 21, pp. 289-298.
Received 10 April 2016
Скворцова Наталья Петровна, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, г. Москва, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории механических свойств кристаллов, e-mail: [email protected]
Skvortsova Natalya Petrovna, Shubnikov Institute of Crystallography RAS, Moscow, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Research Worker of Mechanic Features of Crystals Laboratory, e-mail: [email protected]
