Изменение прочностных характеристик кристаллических материалов под воздействием УФ-излучения

УДК 539.3

ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ

© А.В. Чиванов, Г.В. Новиков, А.Н. Глушков, М.В. Чемёркина

Ключевые слова: кристалл; УФ-излучение; микротвердость; упрочнение; выдерживание под нагрузкой.

Рассматривается процесс изменения микротвердости щелочно-галоидных кристаллов, стимулированный УФ-излучением. Приведены экспериментальные результаты по динамике процесса упрочнения и разупрочнения кристаллов при воздействии излучения.

Твердость материалов является одной из механических характеристик твердых тел, имеющих важное практическое значение. Твердость - это способность материалов оказывать сопротивление при контактных воздействиях на них упругому и пластическому деформированию или хрупкому разрушению.

Метод микроиндентирования удобно использовать для исследования свойств различных участков одного и того же образца, подвергавшихся различным воздействиям (например, облучению). Этот метод позволяет получить данные о твердости отдельных фаз или структурных составляющих сплава, т. е. исследовать его структуру [1].

При исследовании воздействия излучения на материалы с различным типом кристаллических связей особое внимание следует уделять не только рентгеновскому, у -, электронному, но и УФ-излучению [2-4].

Цель работы: Исследовать зависимость изменения микротвердости ЩГК от дозы УФ-облучения.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В эксперименте использовали свежевыколотые монокристаллы ЫБ, ЫаС1 и КС1 с количественным содержанием примесей 10-3 вес. %. Размеры образцов ЩГК составляли 3x5x10 мм. Образцы подвергались локальной деформации на приборе ПМТ-3 при комнатной температуре (рис. 1). Укол производился алмазным индентором Виккерса. Использовались нагрузки на ин-дентор: 0,2; 0,4; 0,6 и 1 N.

Величина измеряемой микротвердости в ряде случаев зависит не только от величины нагрузки, но и от ориентации индентора. На (рис. 1) видно, что когда диагональ отпечатка параллельна граням кристалла (ё || <100>), трещины на поверхности не образуются, а при ориентации диагонали отпечатка под углом 45° к граням кристалла или ё || <110> образование микротрещин наиболее вероятно.

При измерении микротвердости нужно учитывать длину этих микротрещин. Чтобы упростить обработку результатов ориентация индентора всегда была такой, как показано на рис. 1 -2 (ё || <100>).

Каждой точке на графиках соответствуют не менее 5 образцов.

1824

Рис. 1. Характерные виды деформации и разрушения кристаллов при микроиндентировании:

1 - Р = 0,3Ы, С I1 <110>; 2 - Р = 2Ы, С II <100>. Вначале получен отпечаток при С II <110>

В соответствии с целями работы проведены две серии экспериментов.

1. Микроиндентирование образцов при одновременном воздействии УФ-облучения (образцы выдерживались под нагрузкой от 3 до 60 мин.);

2. Микроиндентирование образцов после УФ-облучения.

Для облучения монокристаллов ультрафиолетовыми лучами применялась установка, в которой использовалась ртутно-кварцевая лампа ПРК-2.

Время воздействия УФ-излучения варьировало от 3 до 60 мин. При этом доза падающего излучения составляла 1,4 54 Дж/м2.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2-5 представлены зависимости изменения микротвердости от дозы УФ-облучения для кристаллов ЫБ, КС1 и ЫаС1.

Из рис. 2а видно, что при выдержке образцов ЫБ под нагрузкой и одновременном накоплении дозы УФ-облучения происходит монотонное снижение микротвердости во всем интервале нагрузок. При индентировании облученных образцов (рис. 2б) дозы до 7 Дж/м2 приводят к увеличению микротвердости, затем происходит плавное снижение микротвердости и разупрочнение образцов.

Дж/м2 Дж/м2

а) б)

Рис. 2. Зависимости значений микротвёрдости от дозы облучения для ЫБ, Р = 0,6№ а) нагружение при одновременном воздействии УФ-облучения; б) индентирование облученных образцов

1825

Дж/м

Дж/м

а)

б)

Рис. 3. Зависимости значений микротвердости от дозы облучения для KCl, P = 0,б№ а) нагружение при одновременном воздействии УФ-облучения; б) индентирование облученных образцов

Дж/м

Дж/м

а)

б)

Рис. 4. Зависимости значений микротвердости от дозы облучения для NaCl, P = 0,б№ а) нагружение при одновременном воздействии УФ-облучения; б) индентирование облученных образцов

Дж/м

Дж/м

Рис. 5. Зависимости значений микротвердости от дозы облучения для: 1 - LiF, 2 - NaCl, 3 - KCl,

P = 0,6N: а) нагружение при одновременном воздействии УФ-облучения; б) индентирование облученных

образцов

1826

Разупрочнение наблюдается и на кристаллах КС1, что хорошо видно из рис. 3а. Но ход зависимости имеет более сложный вид. Происходит монотонное снижение микротвердости до 14 МПа, затем небольшое увеличение микротвердости.

Из рис. 4а видно, что при выдержке образцов ЫаС1 под нагрузкой и одновременном накоплении дозы УФ-облучения происходит (при накоплении дозы 5 Дж/м2) возрастание микротвердости до ~ 270 МПа, затем происходит плавное снижение зависимости.

На зависимостях рис. 2б-4б можно выделить определенную аналогию. Происходит упрочнение материала при малых дозах.

Для сравнения эффекта воздействия УФ-излучения на монокристаллы ЫБ, ЫаС1 и КС1 приведены все зависимости, полученные при нагрузке на индентор Р = 0,6Ы, на одном графике (рис. 5). Рис. 5а - нагружение образцов при одновременном воздействии УФ-излучения, а рис. 5 б - изменение микротвердости после облучения.

Во всех случаях обнаружено, что воздействие УФ-излучения приводит к изменению состояния дислокационной структуры.

Литературные данные показывают, что формирование отпечатка под индентором происходит в первые 2 мин. выдержки образца под нагрузкой [4]. Дальнейшее выдерживание образца не приводит к изменению размеров отпечатка и дислокационной структуры вокруг отпечатка. Однако экспериментальные результаты указывают на изменение длины дислокации лучей вокруг отпечатка индентора [6-8] и изменение размеров отпечатка под воздействием электромагнитного излучения. Эти изменения и отражены на графиках рис. 2а-5а.

Наблюдаемые эффекты объяснены с позиций дислокационно-экситонных взаимодействий. При УФ-облучении экситон взаимодействует с заряженной ступенькой на дислокации, вызывая движение ступеньки вдоль дислокации, а сама дислокация при этом смещается на одно межатомное расстояние. За счет этого взаимодействия облегчается преодоление дислокацией сетки стопоров. Большие времена выдержки вызывают релаксацию напряжений непосредственно в отпечатке, что обеспечивает обратимое движение дислокаций в область отпечатка и, как следствие, сокращение длины лучей дислокационных розеток и увеличение размеров отпечатка.

Картина измерения микротвердости после воздействия УФ-излучения несколько иная (рис. 2-5б). Измерение микротвердости происходит на образцах, уже накопивших дефекты. С увеличением дозы облучения микротвердость увеличивается. Но для всех типов монокристаллов наступает стадия, когда эффект упрочнения меняет свой знак и наступает стадия разупрочнения. Изменение знака эффекта можно объяснить лишь с позиции взаимодействия дислокаций с дефектами, преобразующимися под действием УФ-излучения. По-видимому, накопившиеся дефекты под действием УФ-излучения в дальнейшем разрушаются этим же излучением.

ВЫВОДЫ

1. Выявлена зависимость изменения микротвердости от дозы УФ-излучения. Наблюдаются стадии как упрочнения, так и разупрочнения монокристаллов.

2. Для всех исследуемых материалов увеличение дозы УФ-излучения при одновременном выдерживании образцов под нагрузкой приводит к эффекту разупрочнения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Специальный практикум по молекулярной физике: учеб. пособие / под ред. проф. Н.Н. Сысоева и А.И. Осипова. М.: КДУ, 2007. 232 с.

2. Бюрен Ван. Дефекты в кристаллах. М.: ИЛ, 1962. 584 с.

3. Кочубей В.И. Формирование и свойства центров люминесценции в щелочно-галоидных кристаллах. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 192 с.

4. Физика радиационных явлений и радиационное материаловедение / под ред. А.М. Паршина, И.М. Неклюдова. М.; СПб.; Белгород, 1998. 378 с.

5. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука, 1976. 230 с.

1827

6. Чемеркина М.В. Влияние заряда дислокаций и внешнего электромагнитного воздействия УФ диапазона на пластичность и зарождение трещин в ионных кристаллах: автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Тамбов, 2005. С. 16.

7. Плужникова Т.Н., Федоров В.А., Чиванов А.В., Чемеркина М.В. Влияние малых доз ионизирующего излучения на процессы подвижности дислокаций // Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения: сб. науч. тр. Рос. школы-конф. молодых ученых и преподавателей. 25 сент. - 1 окт. 2006 г., г. Белгород. Белгород, 2006. С. 368-370.

8. Плужникова Т.Н., Чемеркина М.В., Кириллов Р.А., Федоров В.А. Изменение пластичных свойств ионных кристаллов под действием УФ-излучения // Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений: сб. науч. тр. молодых ученых IV Междунар. школы-конф. 24-30 июня 2007 г., г. Тамбов. Тамбов, 2007. С. 296-303.

Поступила в редакцию 3 сентября 2010 г.

Chivanov A.V., Novikov G.V., Glushkov A.N., Chemerkina M.V. Change of durability characteristics of crystal materials under influence of UV radiation

The process of change in microhardness of alkali halide crystals stimulated by UV radiation is scrutinized. Experimental results on the dynamics of the process of hardening and softening of the crystals under radiation are given.

Key words: crystal; UV radiation; microhardness; hardening; keeping under loading.

1828