Релаксационные эффекты, обусловленные дислокациями

Рассмотрим релаксационные эффекты, проявляющиеся в виде пиков внутреннего трения, дислокационная природа которых с достаточной степенью надежности установлена. Для наблюдения пиков дислокационного происхождения необходимо, чтобы материал был деформирован. В холоднодеформированном материале дефектная структура сложна, она включает в себя как точечные дефекты, возникшие при деформации, так и разных типов дислокационные конфигурации. Наличие большого количества различных дефектов кристаллического строения значительно усложняет теоретическое описание релаксационных процессов. Так же как и в случае с точечными дефектами в недеформированных материалах, когда релаксационные эффекты несколько условно были разделены на эффекты снуковско- го и зинеровского типа, в табл. 5.1 обобщены три вида фундаментальных релаксационных процессов, обусловленных присутствием дислокаций и точечных дефектов в деформированных металлах. В металлах и сплавах существует большое количество подвидов данных механизмов, появление которых связано с особенностями строения конкретных сплавов.

Дислокационная релаксация в большинстве случаев дает сложный спектр, в котором присутствуют пики с различными механизмами. Причина заключается в том, что эффекты дислокационной неупругосги связаны с различными аспектами движения порогов и перегибов на краевых и винтовых дислокациях и их взаимодействием с другими дефектами в кристаллах. Даже в пределах одного фундаментального механизма релаксации, как правило, наблюдается несколько пиков, природа которых отличается друг от друга незначительно. Например, известны два пика Бордони для невинтовых дислокаций и один ник для винтовых; два или зри пика Хазигути в зависимости от типа собственных дефектов, с которыми взаимодействует дислокация: вакансии, межузельные атомы. Пики Бордони существенно уширены, пики Хазигути слабо уширены по сравнению с дебаевским ником и, как правило, регистрируются именно как группа пиков, а не один уширенный пик.

Таблица 5.1

Основные виды дислокационной релаксации в металлических материалах

В силу исторических причин, обозначения пиков внутреннего трения, обусловленных дислокациями, не унифицированы и зависят от типа кристаллической решетки. В табл. 5.1 приведены наиболее используемые обозначения. В ГЦК металлах пики Бордони обозначают как В1, В2, ВЗ, ники Хазигути - как Р1, Р2, РЗ. В гексагональных металлах пики Бордони - это В1 и В2, ники Хазигути — Р1, Р2, РЗ. В ОЦК металлах пики Бордони обозначают как <х1, а2, у 1, у2, пики Хазигути известны как р-семейство: pi, р2, рЗ, р_у, р_а.

Примеси в металлах снижают высоту пиков Хазигути и Бордони в результате закрепления дислокаций. Влияние отжига на эти релаксационные процессы различно: пики Хазигути «отжигаются» уже на стадии возврата, в то время как пики Бордони остаются вплоть до рекристаллизации. Объединяет пики Хазигути и Бордони то, что они являются релаксационными пиками внутреннего трения со временем релаксации, характерным для дислокаций: т₍₎ = 10 ^|0...КГ¹ ’ с, в то время как пик Снука - Кёсгера имеет время релаксации, характерное для точечных дефектов.

Спектр релаксационных эффектов, обусловленных дислокациями, может быть по аналогии со спектром Зинера (см. рис. 3.2) представлен как функция частоты или как функция температуры. Частотные зависимости рассеянной энергии являются универсальной шкалой для идентификации конкретных механизмов дислокационного поглощения энергии в кристаллах с различной природой сил связи. Частотная шкала формирования спектра дислокационной релаксации в кристаллах при Т = 500 К дана А.А. Дургаряном (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Спектр релаксации дислокационных максимумов поглощения ультразвука при 500 °С (А.А. Дургарян, 1982 [38])

Низкочастотный интервал <1()² Гц (пик 1 на рис. 5.2) включает максимумы, обусловленные образованием (Ge, Я = 0,8 эВ) и движением геометрических перегибов на дислокациях (Si - 0,86 и 1,1 эВ; Ge - 1,1 эВ). Наиболее широкий пик (2) по частотам от З-Ю³ до 710⁵Гц формируют релаксационные максимумы, вызванные движением геометрических и тепловых перегибов в поле точечных дефектов (Pb, Zn, Bi, LiF, Ge, Si, Si02), их энергия активации составляет 0,2...0,6 эВ. В области частот 5-10⁶... 10⁸ Гц пик (3) вызван эффектами типа Бордони (Au, Pt, Pd, Си, Si, Ge, SiCF, Bi2Te.i и др.), то есть эффектами, связанными с движением перегибов в поле напряжений на винтовых и краевых компонентах дислокаций. При частотах = 10^|0с~¹ (пик 4) в кристаллах с ковалентной связью (Ge, Si) проявляются релаксационные максимумы при движении дефектов в поверхностных слоях. В целом релаксационная неуиругость, связанная с динамикой движения дислокаций, имеет общую закономерность в кристаллах с различной природой сил связи. Как и в случае с другими релаксационными максимумами, современная техника измерений в большей степени позволяет варьировать не частоту, а температуру измерений. Поэтому более традиционным является изображение пиков дислокационной неуиругосги как функции температуры при выбранной частоте измерения (рис. 5.3).

Тип упаковки кристаллической решетки и условия предварительной пластической деформации предопределяют дислокационную структуру и характер релаксационных процессов. В ГЦК и гексагональных металлах несколько максимумов связаны с движением собственно дислокаций: низкотемпературный В1 (Ниблетт- Уилкс), высокотемпературный В2 (Бордони), и с процессами движения дислокаций в присутствии собственных точечных дефектов - вакансий, межузельных атомов, дивакансий, возникших при пластической деформации: три максимума Хасигуги - PI, Р2 и РЗ по мере повышения их Г_тах. В ОЦК металлах наблюдаются пики Бордони: а (50...200 К) и у (300...500 К), пики Хазигути: Р (150...300 К), пики Снука - Кестера, обусловленные взаимодействием дислокаций с атомами водорода (SK(H)), дейтерия (SK(D)), кислорода (SK(O)), азота (SK(N)) и углерода (SK(C)), а также дислокационно усиленный пик Снука (DES). Рассмотрим основные дислокационные эффекты неупругости подробнее.

Рис. 5.3. Спектры ТЗВТ в деформированных ГЦК (Al, Си. Ni), ГПУ (Mg. Ti, Zr) и ОЦК (Та. Fe) решетках в пересчете на частоту 1 Гц (для Ni/= 30 КГц) (М.С. Блантер, Ю.В. Пигузов, 1991)