Влияние магнитного поля на внутреннее трение и пластичность щелочногалоидных кристаллов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 539.67:548.4

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ И ПЛАСТИЧНОСТЬ ЩЕЛОЧНОГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ

© Н.А. Тяпунина, Э.П. Белозерова*, В.Л. Красников*, В.Н. Виноградов*

Россия, Москва, Государственный университет им. М.В. Ломоносова Кострома, Государственный технологический университет

Tyapunina N.A., Belozerova E.P., Krasnikov V.L., Vinogradov V.N. Influence of magnetic field on the internal friction and plasticity of alkali halide crystals. A research into the influence of magnetic field with induction B < 1 T on the amplitude dependence of internal friction in crystals of LiF and KCl at frequencies 40-80 kHz at amplitudes s0 10-5-10-4 is described in the article. Curves 8(s0) are linearised in the Granato-Lucke coordinates. In magnetic field, starting stresses and interaction force of dislocation with the pinning center decrease and dislocation vibrating segment length increases. Effects of magnetic memory, aftereffect, loss of sensibility of specimen properties towards magnetic field after a long rest has taken place.

Магнитное поле (МП) с индукцией B < 1 Тл оказывает значительное влияние на внутреннее трение (ВТ) диамагнитных материалов [1-3]. Настоящая работа является продолжением ранее начатых исследований по влиянию МП на ВТ щелочногалоидных кристаллов (ЩГК) в килогерцевой области частот.

Исследования осуществлялись методом двухкомпонентного резонансного осциллятора [4, 5] на частотах /р 40-80 кГц при комнатной температуре. Измерения ВТ дополнены измерениями дефекта модуля Юнга (ДМЮ). Значения индукции МП варьировались от 0,1 до 0,6 Тл. Исследуемые образцы выкалывались по плоскостям спайности, вектор магнитной индукции B был направлен перпендикулярно направлению распространения ультразвуковой волны в образце.

Исходное состояние образцов характеризовалось значением предела текучести и плотностью дислокаций. В работе исследовались кристаллы LiF с пределами текучести 7,8 МПа (LiFI) и 3,5 МПа (LiFII) и KCl с пределом текучести 0,86 МПа. Исходная плотность дислокаций составляла 2-109 м-2, 6-109 м-2 и 4-109 м-2 соответственно. Основными двухвалентными примесями в кристаллах LiFI являлись Mg и Ca, в LiFII - Ca и Ba, в кристаллах KCl - Ca. Свежие дислокации до начала ультразвуковых испытаний не вводились. За изменением состояния образца in situ следили по данным вольтамперных характеристик составного осциллятора (ВАХ), ¥р (V) [3]. Здесь V- напряжение, подаваемое на обкладки кварца, V, - напряжение на дополнительном сопротивлении, подключаемом последовательно к осциллятору в момент резонанса. Величина V, пропорциональна амплитуде относительной деформации образца [5].

Исследования амплитудной зависимости ВТ проводились в двух режимах. В первом МП включалось лишь на период проведения измерения, а затем снова выключалось. Такой режим позволял для одного и того же образца исследовать амплитудную зависимость ВТ 8(е0) как в присутствии МП, так и при B = 0. Во втором режиме измерения осуществлялись при одновременном воздействии ультразвука (УЗ) и МП. Полученные

результаты сравнивались с данными для контрольных образцов (Б = 0). Испытуемый в МП и контрольный образцы имели зеркальные сколы. Измерения ВТ проводились в интервале амплитуд є0 10-5-10-4, отвечающем отрыву дислокаций от парамагнитных центров [1]. Значительное внимание было уделено повторным испытаниям.

Характерные результаты влияния МП на ВАХ исследованных кристаллов приведены на рис. 1. Представленные на рис. 1 ВАХ относятся к образцам они получены на частоте 40 кГц. Светлыми точками обозначены результаты, полученные для контрольного образца (кривая 1), темными точками - при совместном действии УЗ и МП с индукцией Б = 0,3 Тл (кривая 2) Полученная в отсутствие МП ВАХ (кривая 1) состоит из линейного участка ОА1, нелинейной области А1Б1, имеющей асимптоту участка Б1С1, и участка упрочнения С1Р1. Линейный участок указывает, что образец деформируется как упругое тело. Отклонение от линейной зависимости свидетельствует о том, что начинаются изменения состояния образца. При переходе к области Б1С1 наблюдается регулярное уменьшение резонансной частоты, что также указывает на изменение состояния образца. На участке С1р1 имеет место закрепление дислокаций за счет диффузии точечных дефектов. ВАХ, полученная при одновременном действии МП и УЗ (кривая 2 рис. 1), располагается значительно ниже, чем ВАХ контрольного образца. Это показывает, что в присутствии МП образец становится более пластичным. Полученная в МП ВАХ не обнаруживает изменения наклона при напряжениях на кварце V, соответствующих участку С1Р1 ВАХ контрольного образца. Следовательно, при совместном действии МП и УЗ в исследованном интервале напряжений V упрочнения образцов не происходило. Используя методику, предложенную в [6], по данным ВАХ (рис. 1) определяли напряжения т*, которые необходимо преодолеть дислокационным сегментам на данном этапе УЗ действия. Значения -Г* составили 1,46 МПа при Б = 0 и 0,62 МПа в МП

Рис. 1. Вольтамперная характеристика составного осциллятора с образцами ЫГ в отсутствие магнитного поля (кривая 1) и при испытаниях в магнитном поле с индукцией В = 0,3 Тл (кривая 2). /р = 40 кГц

8-Ю3! Г

8 10 Єо-105

Рис. 2. Амплитудные зависимости внутреннего трения образца ЬіБ в магнитном поле и без него. 1, 2 - первичные испытания при В = 0,6 Тл (кривая 1) и при В = 0 (кривая 2); 3 и 4 -через 7 дней после получения кривых 1 и 2. Ур = 80 кГц

Рис. 3. Влияние магнитного поля на амплитудную зависимость внутреннего трения образца KCl в серии последовательных испытаний: 1 - первое испытание в магнитном поле с индукцией B = 0,3 Тл; 2 - при B = 0 сразу же после получения кривой 1; 3 - в магнитном поле B = 0,3 Тл через 5 дней после получения кривой 2; 4 - при B = 0,3 Тл через 7 дней после получения кривой 3. Кривая 5 (светлые точки) отвечает контрольному образцу. f = 75 кГц

Таблица 1

Параметры дислокационной структуры образца ЫРП при испытаниях в магнитном поле В = 0,6 Тл и при В = 0 и после отдыха образца в течение 7 дней

Пара- Первичные испытания Повторные испытания

метр B = 0,6 Тл B = 0 B = 0,6 Тл B = 0

с 7,3 9,0 13,0 13,8

<u>, мкм S0=5-10-5 0,55 0,32 0,22 0,22

B = 0,3 Тл. Таким образом, при испытаниях в МП величина стартового напряжения Т уменьшается. Согласно [7], стартовые напряжения пропорциональны пределу текучести, следовательно, предел текучести ЩГК при испытаниях в МП уменьшается.

Влияние МП на амплитудную зависимость ВТ иллюстрируют рис. 2 и 3. На рис. 2 представлены результаты испытаний на одном образце LiFn при чередовании измерений в МП и без него на частоте 80 кГц. В первом опыте (кривые 1 и 2) исследовалось ВТ образца в исходном состоянии. Кривая 1 построена по результатам измерений в МП с индукцией B = 0,6 Тл, кривая 2 - по данным для B = 0. Видно, что кривая 1, отвечающая испытаниям в МП, располагается выше кривой 2. После того, как были получены кривые 1 и 2, образец отдыхал при комнатной температуре в течение 7 дней, оставаясь вмонтированным с пьезокварцем, а затем проводились повторные испытания в том же режиме. Результаты повторных испытаний представлены кривыми 3 и 4 рис. 2. Видно, что ВТ уменьшилось более чем в 2 раза, а начало амплитудной зависимости сдвинулось в область больших S0. Кривые 6(80) в МП и при B = 0 аппроксимируются практически одной и той же кривой, т. е. эффект влияния магнитного поля исчезает.

Кривые амплитудной зависимости ДМЮ ведут себя аналогично кривым 6(80).

Анализ кривых 6(80) показал, что они спрямляются в координатах Гранато - Люкке [8], т. е. амплитудная зависимость ВТ обусловлена отрывом дислокаций от закрепляющих центров. Рассчитанные для этих кривых значения параметра Г ~ FJLC (Fm - максимальная сила связи дислокации и закрепляющего ее центра, Lc - средняя длина колеблющегося дислокационного отрезка), а также средние смещения колеблющихся дислокационных сегментов <u>, рассчитанные по формуле Бейкера [9] по данным ДМЮ, представлены в таблице 1.

Из табл. 1 видно, что при первичных испытаниях значение параметра Г в МП оказывается ниже, а среднее смещение <u> выше, чем при B = 0. Длительный отдых образца привел к увеличению параметра Г ~ FJLc, в то время как среднее смещение колеблющихся дислокационных сегментов <u> уменьшилось. В изменившемся после отдыха состоянии образца параметры Г и <u>, а также амплитудно-независимое ВТ 60 при испытаниях в МП и при B = 0 стали практически одинаковыми, т. е. произошла потеря чувствительности неупругих свойств образца к воздействию МП.

Кривые рис. 3 иллюстрируют влияние МП на внутреннее трение кристаллов KCl. В экспериментах с KCl использовался второй режим испытания, т. е. МП в образце присутствовало в течение всего процесса измерения. Кривая 1 рис. 3 отвечает первоначальным испытаниям в МП B = 0,3 Тл, кривая 2 получена сразу

же после выключения МП. Кривая 3 снималась в МП B = 0,3 Тл через 5 дней после получения кривой 2. Темные точки на кривых 4 и 5 отвечают последующему испытанию в МП B = 0,3 Тл еще через 7 дней после получения кривой 3, светлые точки соответствуют контрольному образцу. Из сравнения кривых 1 и 5 (контрольный образец) следует, что амплитудная зависимость 8(є0) при испытаниях в МП начинается при меньших є0, чем при B = 0. При повторных испытаниях, проведенных сразу же после выключения МП (кривая 2), ВТ продолжает оставаться высоким, отвечая даже несколько большим значениям, чем для кривой 1. Это напоминает эффект последействия: образец продолжает разупрочняться в течение некоторого времени и после выключения МП. Длительный отдых образца в течение 5 дней значительно понижает ВТ (кривая 3), но оно еще не достигает значений контрольного образца. Образец «помнит», что при предыдущем испытании он находился в МП. И, наконец, последующий отдых еще в течение 7 дней понижает ВТ до значений, соответствующих контрольному образцу.

Кривые, представленные на рис. 3, также спрямляются в координатах Гранато - Люкке. Рассчитанные для кривых 1-5 рис. 3, значения параметра Г составили, соответственно, 3,31-Ю-4, 1,41-10-4, 3,64-Ю-4,

3,74-10-4 и 3,84-Ю-4. Из сравнения приведенных значений видно, что для образца, испытываемого в МП (кривая 1), значение параметра Г оказывается ниже, чем для контрольного образца (кривая 5). При повторных испытаниях после выключения МП (кривая 2) значение Г оказывается даже ниже, чем при первом испытании в МП, т. е. имеет место эффект последействия. Длительный отдых приводит к потере чувстви-

тельности свойств образца к действию МП, так что значения параметра Г приближаются к данным для контрольного образца.

Уменьшение величины Г ~ FmILc в МП может быть вызвано уменьшением силы связи закрепляющего центра с дислокацией Fm или увеличением средней длины колеблющегося дислокационного сегмента Lc. Как показали дополнительные исследования [3], имеют место обе эти причины.

Из приведенных выше результатов повторных испытаний с образцами LiF и KCl следует, что возможны эффекты последействия, «магнитной памяти» и потери чувствительности свойств ЩГК к действию магнитного поля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белозёрова Э.П., Светашов А.А., Красников В.Л. // Изв. РАН. Сер. физическая. 1997. Т. 61. № 2. С. 291-297.

2. Дацко О.И., Алексеенко В.И. // ФТТ. Т. 39. № 7. С. 1234-1236.

3. Тяпунина Н.А., Белозёрова Э.П., Красников В.Л. // Материаловедение. 1999. № 12. С. 21-27.

4. Швидковский Е.Г., Дургарян А.А. // НДВШ. Физ.-мат. науки. 1958. № 5. С. 211-216.

5. Никаноров С.П., Кардашев Б. К Упругость и дислокационная неупругость кристаллов. М.: Наука, 1985. 205 с.

6. Наими Е.К. Измерение внутреннего трения, дефекта модуля Юнга и стартовых напряжений методом вольтамперных характеристик составного вибратора. М., 1985. Деп. в ВИНИТИ. № 2589 Деп. 17 с.

7. Тяпунина Н.А., Наими Е.К, Зиненкова Г.М. Действие ультразвука на кристаллы с дефектами. М.: Изд-во МГУ, 1999. С. 127.

8. Гранато А., Люкке К. Дислокационная теория поглощения // Ультразвуковые методы исследования дислокаций. М.: Изд-во ИЛ, 1963. С. 27-57.

9. Backer а& // Г Аррі. РЬу8. V. 33. № 5. Р. 1730-1732.

УДК 535.343.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОИОНИЗАЦИИ ИНФРАКРАСНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛОВУШЕК В ОКРАШЕННЫХ КРИСТАЛЛАХ КВг И КаС1

© Т.А. Лебедкина, Е.И. Коровкин

Россия, Черноголовка, Институт физики твердого тела РАН

Lebedkina T.A., Korovkin E.I. Investigation of thermoionization of the infrared electron traps in coloured KBr and NaCl crystals. Thermoinization of the infrared electron traps in coloured KBr and NaCl crystals is studied in the temperature range of 71-104 K. It is shown that the complex character of the thermoionization curves is determined by the presence of a few electron traps, which are unstable in this temperature range and decay according to exponential laws, and one stable electron trap.

Ранее при исследовании фотопластического эффекта (ФПЭ) в ЩГК был обнаружен эффект инфракрасного гашения ФПЭ [1-2]. Возникла гипотеза, что за этот эффект ответственны электронные состояния (возможно, связанные с дислокациями, точечными дефектами или с теми и другими), способные разрушаться под действием ИК-света (0,7-0,8 эВ). Дальнейшие эксперименты привели к открытию двухступенчатой фотопроводимости в у-облученных кристаллах (NaCl, KBr и KCl) при низких температурах (4,2-140 К) [3-6], что подтвердило существование в у-окрашенных кристал-

лах ловушек, способных захватывать электроны с возбужденных F-центров и терять их под действием ИК-света. На рис. 1 приведены спектры стимулированной F-светом ИК-фотопроводимости для у-окрашенных кристаллов NaCl, KBr и KCl. Благодаря стабильности созданных электронных состояний, при низких температурах концентрация заполненных ловушек могла достигать значительной величины, что позволяло наблюдать их спектр оптического поглощения [6-7]. В результате исследований спектров фотопроводимости и фотопоглощения, стимулированных F-светом,