Залечивание микротрещин в ионных кристаллах при воздействии ультрафиолетового излучения

УДК 539.3

ЗАЛЕЧИВАНИЕ МИКРОТРЕЩИН В ИОННЫХ КРИСТАЛЛАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© Т.Н. Плужникова, В.А. Федоров, М.В. Чемёркина, А.В. Чиванов

Plushnikova T.N., Feodorov V.A.. Chcmcrkina M.V., Chivanov A.V. Healing of cracks arrested in alkali-halidc crystals under influence ultraviolet radiation. It was experimentally found that electromagnetic radiation changed dislocation structure at the crack tip. The average dislocation density at tip of the crack was lowered. The length of the healing site grows at increasing time of influence. Action of ultraviolet radiation is referred to two stage of healing. This radiation, may be. causes decreasing of mechanical stresses in tip of the crack and changed energetically state dislocations and catches.

Эксплуатация материалов в современных конструкциях и деталях, происходящая зачастую в экстремальных условиях, предъявляет высокие требования к их прочностным характеристикам. Процесс разрушения, как правило, возникает на несовершенствах кристаллической структуры и начинается с микротрещин. Одним из методов восстановления прочностных характеристик кристаллов является залечивание микротрещин.

Цель работы: определить влияние электромагнитного излучения ультрафиолетового диапазона на процессы залечивания трещин, полученных при асимметричном сколе, в щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК).

Исследования проводили на оптически прозрачных монокристаллах 1лР, №С1, с количественным содержанием примесей от 10 : до 10 1 вес.%. Размер образцов 10x20x2 мм. Степень асимметричности скола * 0,65+0,75 [1].

Для облучения монокристаллов ультрафиолетовым излучением с длиной волны А. = 250 нм использовалась ртутно-кварцевая лампа ПРК-2. Температура образцов во время опытов контролировалась термопарой и оставалась постоянной Т = 293 К. Время воздействия варьировалось от 10 минут до 3 часов.

В процессе воздействия на кристаллы УФ-излу-чения вид залеченного участка и дислокационная картина, выявленная травлением, у вершины трещины заметно меняется (рис. 1). Эффект усиливается до определенного момента времени.

Обнаружено, что с увеличением времени воздействия УФ-излучения происходит уменьшение числа дислокаций у вершин трещин (рис. 2), увеличение длины залеченного участка (рис. 3) и уменьшение длины лучей в дислокационных розетках (рис. 4).

Длина дислокационных лучей может сокращаться для ЫР на (5+500) мкм, для №С1 на (5+700) мкм, что составляет от I до 100 %. Зависимость носит линейный характер.

етг

*

* ^ .s'** *

їй *4-t *

25 мкм

II" 'Ии.

‘•••і*

а)

Г''- .

V • ' «•

I

> '

v.VA*

ч

к"

*

.а •*

Л А *

. * • a

м.

25 мкм

б)

Рис. 1. Дислокационная структура у вершин трещин кристаллов ЫаС1: а) контрольный кристалл, б) кристалл после воздействия УФ-излучения Е = 4,95 эВ, выдержка / = 150 мин. Стрелкой отмечена вершина трещины

и?

• ШС1

1_!Р • №С1

Рис. 4. Зависимость относительного изменения .мины залеченного участка у вершин трещин в кристаллах ЫР и ЫаС1 при воздействии ультрафиолетового излучения с энергией Е- 4.95 эВ: а) 1-№С1,2-1йР

а) б)

Рис. 5. а) Движение дислокаций в лучах «дислокационных розеток» в область вершины трещины, б) Изменение расстояний между дислокациями в залеченном участке

а) б)

Рис. 6. Появление дополнительного луча во вторичной розетке: а) исходное состояние, б) состояние после воздействия излучения

мин

-----1---1---1---1---1----1--- ---1-----1»—I—

О 90 100 150 300 250

Рис. 2. Зависимость относительного изменения числа дислокаций у вершин трещин в кристаллах 1ЛР и N801 при облучении с энергией Е = 4.95 эВ: I - N301. 2 - 1дР. Зависимость

выражается уравнением вида: М = А + В е' ( А = 0, В - 0,135, С- 148,232 мин

1, МИН

Рис. 3. Зависимость относительного изменения длины лучей в дислокационных розетках у вершин трещин в кристаллах 1лР и N801 при воздействии ультрафиолетового излучения с энергией Е = 4.95 эВ: а) I - N801,2 - 1нР

Зависимости изменения плотности дислокации у вершин трещин от времени экспозиции излучения носят экспоненциальный характер.

Отмечено, что при отсутствии «дислокационной розетки» и наличии строчки дислокаций на продолжении траектории трещины длина залеченного участка с увеличением времени облучения существенно возрастает. Зависимость носит линейный характер. Длина залеченного участка может достигать значений для 1лР от 10 и до 90 мкм, для №С1 от 20 и до 650 мкм.

• ЫР

• N301

сИ^(Ь2-Ы)/Ы

1, МИН

Т ' I ' I 1 I 1 I ' I 1 I 1 I ' I 1 Г*

0 40 80 120 160 200

1/Т

Рис. 7. Зависимость, времени распада радиационных дефектов от температуры для кристаллов №С1, облученных I час

Таким образом, при увеличении времени воздействия УФ-излучения длина трещины сокращается, т. е. имеет место восстановление сплошности кристалла. При увеличении пластичности кристалла вероятность образования более протяженного залеченного участка возрастает.

Движение дислокаций в лучах розетки изучено методом двойного травления. На основе полученных данных приведены следующие схемы движения дислокаций:

Движение дислокаций в область вершины трещины (рис. 5а) ведет к сокращению длины лучей в дислокационной розетке и частичному залечиванию трещины.

Механизм залечивания трещин представляется следующим. В первые моменты облучения (!-я стадия) воздействие ультрафиолетового излучения способствует разрушению собственных дефектов кристалла, и движение дислокаций облегчается. Доказательством этого может служить образование дополнительных лучей (рис. 6), что может быть связано со срабатыванием какого-либо дислокационного источника. Вместе с тем, по мере воздействия ультрафиолетового излучения образуются радиационные дефекты. Эти дефекты мигрируют по кристаллу и могут «закрепиться» на дефектах нерадиационного происхождения, т. е. на дислокациях [3]. Процесс залечивания на 2-ой стадии может продолжаться до тех пор, пока количество распадающихся стопоров УУр превышает число образующихся радиационных дефектов Ы„. При нарушении условия /V,, ^ Л'р процесс залечивания прекращается. При больших временах облучения число радиационных дефектов увеличивается, что приводит к упрочнению материала и стопоренню движения дислокаций. Данный процесс сопровождается окрашиванием кристаллов. При нагреве наблюдается исчезновение окраски, что связано с распадом образовавшихся радиационных дефектов (рис. 7, 8), следовательно, процесс залечивания может возобновиться.

Энергия активации определялась по формуле:

и

т = т„<? кТ, и = — (п^-кТ,

где т0= 10 13 с, значения \/Ти 1п(/) взяты из графиков.

Энергия активации процесса распада для кристаллов №С1 составляет 1,2 эВ. Эта энергия соответствует

1/Т

Рис. 8. Зависимость, времени распада радиационных дефектов от температуры для кристаллов КС1, облученных I час

Рис. 9. Люминесценция кристалла ЫаС1. Время облучения 3 часа

радиационному дефекту типа 1п (дырочный центр) А для кристаллов КС1 1,5 эВ. Эта энергия соответствует радиационному дефекту типа ТГ (дырочный центр) [3]. По-видимому, происходит распад именно этих радиационных дефектов, способствующий исчезновению окраски.

Процесс распада радиационных дефектов сопровождается люминесценцией кристаллов (рис. 9). Спектральный состав люминесценции близок к составу УФ источника при облучении.

ВЫВОДЫ

1. Воздействие электромагнитного излучения УФ диапазона вызывает релаксацию механических напряжений в вершине трещин за счет обратимого движения дислокаций и приводит к частичному их залечиванию.

2. Интенсивность залечивания и релаксации напряжений зависит от рода материала и временной выдержки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Федоров В. А., IIлуж пиково Т.Н.. Тмин ЮИ Залечивание трещин. остановившихся при несимметричном сколе в щелочно-гилондных кристиллих н кальците // ФТТ. 2000. Т. 42. № 4. С. 685-687.

2. Тмин ЮН.. Федоров В.А., Пяужникова Т.Н., Куранова В.А Аналитическая оценка распределения дислокаций в вершине остановившихся трещин // ФТТ. 2000. Т. 42. № 7. С. 1253-1255.

3. Шмурак С.З. Дислокационная спектроскопия кристаллов // ФТТ.’ 1999. Т. 41. Выл. 12. С. 2139-2146.