CC BY
42
1—---------------
«ения ниформа-
L •
! аналитические приборострое-1с интерфейсы
Изд-во ТГТУ,
ютельносгные ирьянов, С.В.
УДК 541.128; 541.183; 669.046
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО СВЕТА НА МИКРОТВЕРДОСТЬ И ПОДВИЖНОСТЬ ДИСЛОКАЦИЙ В КРИСТАЛЛАХ NaCl
© А.И. Тюрин, В.И. Иволгин, В.В. Корен ков, И.И. Киселев, Р.И. Рябко
Tyurin A.I., Ivolgin V.I, Korenkov V.V., Kiselev I.I., Ryabko R.I. The influence of ultraviolet light on the microhardness and mobility of dislocations in NaCl single crystals. Ultraviolet is found to change the volume properties of crystals. The dependence of the microhardness of crystals on the time between the exposure in ultraviolet and indentation.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что в условиях скачкообразного приложения нагрузки погружение индентора в ионных кристаллах происходит в несколько стадий, отличающихся кинетикой, активационными параметрами и атомными механизмами [1 - 4]. Как показано в [1 - 6], начальные стадии (до 70-80 % объема окончательно установившегося отпечатка) обусловлены зарождением и перемещением собственных точечных дефектов, а заключительные - дислокациями.
Известно также влияние света на имеющиеся в кристалле точечные дефекты, являющиеся стопорами для дислокаций (F - центры, примесные комплексы и т. п.), приводящее к изменению подвижности изолированных дислокаций, предела текучести, коэффициента упрочнения, внутреннего трения и т. д. [7 - 13].
Кроме того установлено, что при некоторых условиях освещение может изменять микротвердость, определяемую посредством индентирования материала [14-15]. Однако причины этого влияния окончательно не выявлены. Соответственно не ясно, на какие именно фазы процесса погружения индентора может оказывать влияние освещение.
В связи с этим цель настоящей работы заключалась в выяснении того, на какие именно стадии и механизмы может влиять свет, какова степень этого влияния, в каких условиях может проявляться этот эффект (время, интенсивность света, температура и т. п.).
МЕТОДИКА
Исследования проводились при комнатной температуре на грани (001) номинально чистых кристаллов NaCl, плотность ростовых дислокаций в которых не превышала значения pr ~ 104 см'2. Образцы размером 5x5x20 мм3 выкалывались по плоскостям спайности, а измерение микротвердости производили стандартным образом с использованием прибора ПМТ-3. Температура образца контролировалась термопарой и при проведении эксперимента практически не отличалась от комнатной (Тс= 25±1° С).
Методика эксперимента заключалась в сравнении значений микротвердости материала и подвижности дислокаций до и после обработки образца ультрафиолетовым светом (УФС). Подвижность дислокаций оп-
ределяли по длине краевых лучей дислокационной розетки вокруг отпечатка, выявляемой химическим травлением образца. Вместе со стандартной микротвердостью по Виккерсу, в работе исследовали влияние УФС на величину склерометрической твердости, определяемой по ширине царапины, наносимой на образец. Обработку образцов УФС производили в течение 15-20 минут ксеноновой лампой типа ДКСШ-200, со спектром излучения от 250 до 800 нм.
В ряде экспериментов отдельные части образца закрывали непрозрачным экраном. Это давало возможность на одном образце получать различные области: (исходную и обработанную УФС), и тем самым устранить вариации твердости при переходе от одного образца к другому.
Отпечатки и царапины наносили на грань (001). Царапины проводили вдоль направления [100]. Во всех измерениях нагрузка на индентор составляла 2 г. Величину твердости при индентировании определяли по формуле Ну = 1854Р!сР [9 - 10], склерометрическую твердость по формуле Нс = 3,708Р/Ь2 [9] (здесь Р - нагрузка, приложенная к индентору, с1 - диагональ отпечатка индентора, Ь - ширина царапины).
Размеры деформированной зоны около отпечатка и царапины, а также подвижность дислокаций определяли после разгрузки отпечатка и химического травления образца.
Величину микротвердости и подвижность дислокаций определяли усреднением результатов не менее, чем 10 отпечатков индентора, нанесенных в одинаковых условиях.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В первой серии опытов исследовали влияние излучения ксеноновой лампы на микротвердость кристаллов ЫаС1 при комнатной температуре. Для этого сравнивали отпечатки индентора, нанесенные на грань (001) до и после обработки кристаллов светом. Результаты экспериментов представлены в табл. 1. Установлено, что микротвердость, определенная по методу Виккерса, вследствие освещения уменьшается от 20,4 кГс/мм2 до 16,4 кГс/мм2, гистограмма распределения размеров отпечатка индентора на обработанном и необработанном образцах представлена на рис. 1. Длина лучей дислокационной розетки при
Таблица I.
Изменение микротвердости при обработке кристаллов NaCl УФС
Вид обработки кристалла Микротвердость по Виккерсу, кГс/мм2 Склерометрическая твердость, кГ с/мм2
H/ab И, я, Н/аЬ н, н.
Свет диапазона 400 - 800 нм 20±1 20,4±0,6 20,4±0,6 10,6±0,5 10,5±0,3 10,5±0,3
УФС 20±1 20,4±0,6 16,4±0,9 10,6±0,5 10,5±0,3 49±0,3
Деформация сжатием + УФС 20±1 20,4±0,9 20,4±0,9 - - -
Здесь Н,аь - табличное значение твердости [11], Н, - твердость, определяемая до освещения кристалла УФС, Н, - твердость, определяемая после освещения образца УФС.
этом изменяется с 80 мкм до 120 мкм (табл. 2.). Величина склерометрической твердости, определенная по ширине царапины, и величина зоны деформирования, определенная по размеру дислокационной зоны около царапины, изменялась при освещении соответственно в 2,0±0,2 и 1,5±0,2 раза (см. табл. 1 и табл. 2, где диагональ отпечатка индентора и направление проведения царапины совпадали с направлением [100], как и при измерении микротвердости).
При пропускании света ксеноновой лампы через стеклянный фильтр (Хрг £ 400 нм) эффект изменения микротвердости при освещении отсутствовал. Это свидетельствует в пользу того, что влияние на изменение величины микротвердости материала при освещении оказывает только ультрафиолетовая часть спектра излучения ксеноновой лампы.
При затемнении одной части образца экраном, непрозрачным в области УФС, появлялась возможность сравнения характера изменения склерометрической твердости, путем сравнения ширины царапины, проводимой из необработанной части кристалла в обработанную. Получено, что по мере приближения царапины к границе обрабатываемой части кристалла ширина царапины начинает постепенно возрастать и полностью выходит на насыщение в обработанной области кристалла.
Характерно, что изменение микротвердости под действием УФС носит обратимый характер и постепенно восстанавливается практически до исходного состояния. На рис. 2 представлена зависимость величины микротвердости от времени, прошедшего после обработки кристалла УФС. Видно, что в течение 30-50 мин твердость уменьшается практически до исходного состояния и в дальнейшем в течение достаточно большого промежутка времени (до 24 ч), остается неизменной.
Таблица 2. Изменение подвижности дислокаций при обработке кристаллов №С1 УФС
Вид обработки
Подвижность дислокаций
Вид индентирования
кристалла По Виккерсу Царапание
Z,J5 мкм L„ мкм 4Li LJL,
УФС 120±15 80±10 1,5±0,2 1,5±0,3
Деформация сжатием + УФС - - 1,0±0,1 -
Здесь I, - подвижность дислокаций, определяемая до обработки образца, ¿, - подвижность дислокаций, определяемая после обработки образца УФС.
Рассмотрим возможные механизмы влияния УФС на микротвердость и подвижность дислокаций в кристаллах NaCl. По-видимому, в принципе возможны следующие каналы влияния на исследуемый материал:
1) воздействие на поверхность исходного образца;
2) воздействие на структуру находящихся в материале точечных дефектов.
Рассмотрим каждый из перечисленных каналов влияния.
1. Проверка возможности влияния УФС на изменение свойств поверхности или объема исследуемого образца производилась следующим образом. Одна часть образца обрабатывалась УФС, а вторая была затемнена. После обработки кристалл раскалывали по плоскости спайности и твердость определялась на свежей поверхности скола в обработанной и необработанной областях. Таким образом, вся исследуемая в таком эксперименте поверхность во время обработки образца находилась внутри исследуемого образца. Численные значения микротвердости той области кристалла, которая была обработана УФС, отличались от значений в необработанной области, и совпадали со значениями микротвердости материала, измеренной на поверхности нерасколотого образца (в области обработанной УФС) (рис. 2.). Это свидетельствует о том, что наблюдаемый эффект вызван изменением объемных, а не поверхностных свойств исследуемого материала.
2. Рассмотрим возможность влияния УФС на структуру точечных дефектов, уже находящихся в исходном образце. Как было показано в ряде работ по динамическому индентированию ионных кристаллов [1 - 6], основная доля отпечатка (до 70-80 % от окончательно установившегося размера) формируется на начальной, наиболее активной стадии индентирования за счет моноатомных механизмов массопереноса материала из-под индентора. При этом деформация материала происходит за счет образования и перемещения анионов и катионов основных веществ, образующих кристаллическую решетку исходного материала. Ин-дентирование на данной стадии происходит в условиях больших контактных напряжений (до трети модуля Юнга) и скоростей относительной деформации материала. Такие условия делают маловероятной возможность заметного влияния изменения структуры случайных точечных стопоров (причем достаточно малого их количества) на динамику собственных точечных дефектов, определяющих массоперенос на активных стадиях индентирования.
На более поздних (медленных) стадиях индентирования происходит достаточно медленное додавливание от-
АД
N
0,4
ОД
14 18 22 „ _ . ,
Н, кГс/мм
Рис. 1. Гистограмма распределения микротвердости до (темные прямоугольники) и после (светлые прямоугольники) освещения кристаллов ЫаС! УФС.
отпечатка до окончательно установившегося значения (на оставшиеся 20-30 %) и моноатомные микромеханизмы сменяются дислокационными, а отпечаток формируется за счет зарождения и движения дислокаций. Движение дислокаций происходит через случайную сетку точечных стопоров, находящихся в кристалле. Изменяя структуру этих дефектов, можно таким образом влиять на величину пробега дислокаций. Однако даже существенное модифицирование структуры точечных стопоров, приводящее к изменению (например, увеличению) пробега дислокаций в полтора-два раза может увеличить деформацию материала под индентором на величину того же порядка, а поскольку вклад деформации на данном этапе деформирования в окончательно установившийся размер отпечатка составляет всего около 20-30 %, то даже увеличение деформации на этой стадии в полтора раза может оказать влияние на окончательное значение величины микротвердости только на 15-20 %. Это и наблюдается в наших экспериментах. С другой стороны, если уменьшить пробег дислокаций, (например, путем введения стопоров, тормозящих их движение), то таким образом уменьшится вклад дислокационных стадий в общий объем окончательно установившегося отпечатка. Это должно привести к общему уменьшению отпечатка, и, следовательно, возрастанию микротвердости. Кроме того, пробег дислокаций от места укола теперь уже будет определяться мощностью вводимых стопоров и измененным УФС состоянием случайных точечных дефектов. При этом чем более сильными будут вводимые стопора, тем меньший вклад в общую деформацию будут давать точечные дефекты, измененные УФС. Такими стопорами для движения дислокаций от места укола могут служить дислокации, предварительно введенные в исследуемый образец (например, предварительной деформацией). В случае достаточно малых концентраций дислокаций их тормозящее влияние может оказаться сопоставимым с влиянием сетки случайных точечных стопоров, измененной УФС. Такое совместное, но противоположное по характеру влияния действие, по-видимому, должно приводить к тому, что микротвердость, определенная до и после освещения, не должна измениться, и ее значение должно соответствовать значению микротвердости недеформированного образца. Это и наблюдается в экспериментах. Так, предварительная деформация на уровне десятых долей процента, которая приводит к появлению отдельных дислокаций или отдельных полос скольжения, не изменяет величину микро-
I, мин
Рис. 2. Зависимость микротвердости от времени, прошедшего после освещения кристаллов ЫаС1 УФС (1). Микротвердость контрольного образца, не обрабатываемого УФС (2).
твердости облученного кристалла, по сравнению с исходным недеформированным материалом (табл. 1.).
Дальнейшее увеличение числа предварительно введенных дислокаций (увеличение степени предварительной деформации образца) приводит к возрастанию тормозящего влияния стопоров этого типа. Это и делает, по-видимому, практически незаметным эффект влияния УФС на сетку случайных стопоров (в случае большой плотности предварительно введенных дислокаций эффект влияния УФС на микротвердость отсутствует), а также приводит к значительному уменьшению длины лучей дислокационной розетки и увеличению микротвердости [9, 16]. Все это свидетельствует в пользу влияния УФС на сетку точечных структурных дефектов, находящихся в объеме кристалла. Исследование зависимости величины микротвердости от времени, прошедшего после обработки образцов УФС, показывает, что величина микротвердости образца сравнительно быстро (за время около 30-50 минут, см. рис. 2.) восстанавливается до исходного состояния, соответствующего необлученному образцу.
Существование временной зависимости Н, свидетельствует, по-видимому, о переходе имеющихся в исходном состоянии точечных дефектов в мета-стабильное состояние, из которого они постепенно релаксируют до исходного состояния. Такие времена в десятки минут характерны в основном для процессов, обусловленных диффузией, и определяют, по-видимому, процесс диффузной релаксации метастабильного состояния точечных дефектов, изменившихся под действием УФС.
Таким образом, проведенные исследования показали существование влияния УФС на последующие изменения величины микротвердости и подвижности дислокаций в номинально чистых кристаллах №С1. Установлено, что данный эффект обусловлен изменением объемных, а не поверхностных свойств исходного материала. Исследована временная зависимость обнаруженного эффекта и установлено, что эффект вызывается, по-видимому, влиянием УФС на состояние случайных точечных дефектов, имеющихся в исходном состоянии кристалла. Кроме того, влияние УФС на состояние исходных точечных дефектов подтверждает тот факт, что на заключительной (медленной) стадии отпечаток формируется преимущественно дислока-
■
ционными механизмами, по-видимому, за счет перемещения дислокаций от места укола.
ЛИТЕРАТУРА
1. Головин Ю.И.. Тюрин А.И. II Письма в ЖЭТФ. 1994. Т. 60. В. 10. С. 722-726.
2. Головин Ю.И., Тюрин А.И. II Изв. РАН (серия физическая). 1995. Т. 59. №Ю. С. 49-54.
3. Головин Ю.И.. Тюрин А.И. IIФТТ. 1995. Т. 37. №5. С. 1562-1565.
4 Головин Ю.И., Тюрин А.И. II Кристаллография. 1995. Т. 40. №5 С. 884-888.
5. Головин Ю.И., Тюрин А.И. II ФТТ. 1996. №6. С. 1812-1818.
6. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Коренное ВВ., Тюрин А.И. II Письма
в ЖТФ. 1997. Т. 23. В. 16. С. 15-19.
7. АЫеи 7.5. // Д. Арр! РЬуБ. 1964. 35. Р. 669.
8. Голосовский М.А., Осипъян Ю.А., Сойфер Я.М. II ФТТ. 1982. Т. 24 №2. С. 602-604.
9. Боярская Ю.С., Грабко Д.З., Кац М.С. Физика процессов микро-индентирования. Кишинев: Штиинца, 1986. 256 с.
10. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука, 1976. 230 с.
11. Кац М.С.. Регель В.Р. IIФММ 1975. Т. 40. С. 612-619.
12. Боярская Ю.С., Житару Р.П., Кац М.С. и др. II ФХОМ. 1981 №6 С. 75-81.
13. Golovin Yu.l., Morgunov R.B.. Lopatin D.V. and Baskakov A.A II Phys. Stat. Sol. (a). 1997. 160. R3.
14. Горидько Н.Я., Новиков H.H. И ФТТ. 1970. Т. 12. №4. С. 1268-1269.
15. Спитковский И.М.. Цаль Н А. II ФТТ. 1973. Т. 15. №2. С. 316-317.
16. Boyarskaya Yu.S., Golovin Yu.l., Kats M.S., Tyurin A.I. and Shibkov A.A. II Phys. Stat. Sol. (a). 1992. 130. P. 319-325.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, фант № 98-02-16549.
Поступила в редакцию 25 июля 1998 г.
