» » Тепловой механизм пластической деформации и разрушения
24.12.2014

Для исследования больших плотностей дислокаций у места действия луча были применены электронно-микроскопические методы изучения ямок травления и сканирующая электронная микроскопия поверхности кристаллов.
Образцы монокристаллов хлористого натрия, расколотых по плоскости спайности (100), подвергались облучению световыми импульсами лазера ГОС-ЗОМ с энергией импульса до 30 дж и длительностью 10в-3 сек. Для изучения начала разрушения образцы облучались дефокусированными импульсами и с помощью оптического микроскопа находились места начала разрушения (помутнения поверхности кристалла). Травление кристалла проводилось раствором, позволяющим получить ямки травления больших размеров у выходов дислокаций, возникающих при росте кристалла, и ямки малых размеров у выходов дислокаций, возникших при облучении. Измеряемый интервал плотностей дислокаций был расширен с помощью электронной микроскопии.
Как известно, предельные плотности дислокаций, изучаемые методом ямок травления, составляют несколько более 10в6 см-2. При более высоких плотностях дислокаций ямки травления сливаются и не могут быть разрешены в оптическом микроскопе. Разрешение электронного микроскопа намного выше, поэтому, подобрав режим травления, дающий малые размеры ямок, можно измерять значительно более высокие плотности дислокаций. Так, например, используя угольные реплики, оттененные хромом, можно при увеличении около 10 000 раз выделить очень близко расположенные ямки травления. Даже при таких небольших (для электронного микроскопа) увеличениях удалось повысить измеряемую предельную плотность дислокаций до 10в9 см-2, т. е. на 3 порядка.
Метод электронно-микроскопического изучения ямок травления представляет особый интерес для хрупких кристаллов, в которых очень трудно получить тонкие образцы для просвечивающей электронной микроскопии.
Исследование области воздействия луча лазера при сравнительно больших плотностях энергии показало, что в месте воздействия луча возникает кратер, заполненный мелкодисперсным порошком, к кратеру примыкает поликристаллическая зона, состоящая из кристаллов малых размеров и далее идут области монокристалла, изменившие структуру под действием луча лазера.
В этой области можно выделить несколько зон. Ближе всего к центру расположена зона, содержащая большое число неравномерно расположенных трещин, иногда имеющих направления; далее идет зона, содержащая трещины только в кристаллографических направлениях, и очень большое количество дислокаций между трещинами, что приводит к шероховатости структуры протравленной поверхности; наконец, далее идут зоны, в которых электронно-микроскопическим методом удается выявить выходы единичных дислокаций. Расстояние этой зоны от края кратера составляет примерно 0,9 мм, плотность дислокаций в ней около 10в9 см-2. Далее идут зоны, в которых дислокации расположены в направлении [100], плотность дислокаций резко падает и на расстоянии 1,2 мм от края кратера имеет порядок 10в6см-2, после этого происходит постепенное уменьшение плотности дислокаций, достигающей исходной (10в4 см-2) на расстоянии 6/7 мм от кратера.
На рисунке 7.7 приведены результаты электронно-микроскопических и оптических измерений плотности дислокаций на различных расстояниях от кратера. На графике видно, что изменение плотности дислокации с расстоянием идет очень неравномерно и основная часть (изменение на 3 порядка) приходится на зону, толщина которой не превышает 0,3 мм при общем размере области с измененной дислокационной структурой 6/7 мм.
Тепловой механизм пластической деформации и разрушения

Следует отметить, что, как следует из наблюдений в поляризованном свете, область разрушения окружает область значительных внутренних напряжений. Это показывает, что плотность дислокаций в районе кратера настолько велика, что их суммарное поле напряжений дает значительные микроскопические напряжения.
Существование дальнодействующего поля напряжений подтверждается также наблюдением на больших расстояниях от кратера (на краю дислокационной сетки) больших ямок травления, окруженных дислокационной розеткой, характерной для механического воздействия (укола индентором) с направлениями дислокационных лучей вдоль [110].
Выше высказывались соображения о тепловой природе разрушения ионных кристаллов лучом лазера. Эти соображения основались на том, что направления дислокационных лучей в области действия светового импульса совпадают с наблюдаемыми при высокотемпературной деформации, а также на наблюдениях волнообразной области расплава в месте действия луча при энергиях, недостаточных для механического разрушения.
Для подтверждения того, что разрушение связано с образованием расплава, необходимо было найти места возникновения трещин при облучении. При этом задача осложнялась тем, что трещины могли быть как первичными, возникающими в месте действия луча, так и вторичными, возникающими за счет неравномерного распространения тепла из места воздействия.
Для решения этой задачи было проведено облучение большого числа участков кристалла при энергиях, близких к порогу разрушения, и осуществлен просмотр поверхности в сканирующем электронном микроскопе при различных увеличениях. В результате этой работы удалось найти участки первичного разрушения. На рис. 7.8 приведена центральная часть этой области с увеличением 1500. Из микрофотографий видно, что трещины возникают в зоне расплава вдоль направлений [100]. Интересно отметить, что одна из трещин изогнута вследствие действия остаточных напряжений.
Тепловой механизм пластической деформации и разрушения

В некоторых случаях наряду с дислокациями, направленными вдоль (100), на периферии области воздействия светового импульса лазера, удается увидеть дислокационные лучи, характерные для холодной деформации и направленные вдоль [110]. Этот эффект связан, по-видимому, с очень слабым тепловым воздействием, когда источником дислокаций является не тепловая волна, а область интенсивной тепловой деформации, окруженная холодным материалом. Валик застывшего расплава в этих случаях также содержит дислокации.
Отметим, что при сильных воздействиях также наблюдались кольца с очень высокой плотностью дислокаций, аналогичные кольцам дислокаций роста у примесей, иногда наблюдаемых в выращенных кристаллах.
Полученные данные позволяют уточнить механизмы деформации и разрушения ионных кристаллов при действии лучей лазера. По-видимому, световой импульс, взаимодействуя с непрозрачными включениями и неровностями поверхности, нагревает поверхностный слой до температуры, превышающей температуру плавления кристалла. При этом создается температурное поле, характеризующееся очень резким градиентом падения температуры с расстоянием.
После окончания действия светового импульса расплавленная область резко охлаждается и внутренние напряжения вследствие малого времени охлаждения достаточно велики, чтобы привести к образованию трещины в поликристаллическом расплаве. При больших интенсивностях луча этот эффект приводит к дроблению кристалла в порошок при охлаждении.
За поликристаллической областью идут зоны, все эффекты в которых связаны с импульсным неравномерным нагревом и охлаждением монокристалла. Световая энергия луча лазера, переходящая в тепло, при этом расходуется на нагрев кристалла и образование дислокаций, перемещающихся в условиях высокотемпературной деформации. Отметим, что, судя по резкому уменьшению числа дислокаций с расстоянием, эффекты вязкости при движении дислокаций очень велики.
В исследованных кристаллах проявляется еще одно специфическое свойство хрупких диэлектриков — задержанное разрушение при действии луча лазера на прозрачные материалы, которое заключается в возникновении трещин не во время, а после действия светового луча.