2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
Г
Глава 1. Феноменологический анализ динамики и механизмов пластической деформации и разрушения квазихрупкнх материалов....................16
§ 1.1. Объективизация критериев степени поврежденности, полученных на основе данных акустической эмиссии........................................17
§1.1.1. Физические механизмы диссипации при неупругом деформировании квазихрупкнх материалов...................................17
§ 1.1.2. Экспериментальное исследование динамики диссипативных процессов........................................................20
§1.1.3. Обсуждение результатов эксперимента........................22
§ 1.2. Модель формирования пьезоактивной керамики под давлением.........27
§ 1.2. 1. Технологический процесс формирования пьезоактивной керамики
под давлением с точки зрения термодинамики.........................28
§ 1.2.2. Обоснование модели........................................30
§ 1.2.3. Математическая формулировка модели....................... 34
§ 1.2.4. Теория равновесных характеристик формируемой керамики 36
§ 1.2.5. Сравнение с экспериментом.................................38
з
Глава 2. Проявление структурных фазовых переходов в парамагнитном
резонансе и акустических характеристиках активных материалов 43
§ 2.1. Определение внутреннего состояния электромеханически активных материалов по характеристикам кристаллического поля.........................45
§ 2.1. 1. Последовательность фазовых превращений в РгАЮз и их влияние на микроструктуру кристалла.........................................46
§ 2.1. 2. Термодинамика фазовых переходов в РгАЮз.................48
§ 2.1. 3. Искажение структуры при фазовых переходах...............53
§ 2.2. Распространение звука и собственносегнетоэластический фазовый переход типа растяжение-сжатие..............................................60
§ 2.2.1. Термодинамический потенциал и особенности фазовой диаграммы.............................................................60
§ 2.2.2. Поведение физических величин вдоль термодинамического пути................................................................ 67
»
§ 2.2.2. Особенности распространения звука при изоструктурных фазовых к переходах в сегнетоэластиках .......................................79
Глава 3. Теория структуры моноклинной фазы и фазовой диаграммы евп-
нецсодержащих оксидов со структу рой псровскита............................81
§3.1. Новые фазы на морфотропной границе твердых растворов РЬ2г,.хТічОз,
РЬ(1^[/зЫЬ^з) і-хТіхОз и РЬ(2пюЫЫ/з)і.хТіхОз...............................83
§ 3.2. Модель двенадцатой степени..........................................86
§ 3.3. Линии переходов первого рода.......................................106
§ 3.4. Описание фазовых диаграмм систем твердых растворов Р7Т, РМЫ-РТ и
Р7М-РТ....................................................................108
§ 3.5. Пьезоэлектрические свойства........................................111
и
4
Глава 4. Природа орторомбических деформаций YBa2Cuj07.y................121
§4.1. Общая характеристика семейства MTS 1-2-3.........................123
§4.2. Зависимость параметров решетки УВазСизОу.у от содержания кислорода
128
§4.2.1 Сравнительный анализ данных о концентрации кислорода в
YBaaCujOy.y ......................................................129
§4.2.2. Сравнительный анализ данных о параметрах решетки УВазСизО?^
...................................................................131
§ 4.3. Обсуждение существующих гипотез о природе спонтанных орторомби-
ческих деформаций в УВазСизО?^.........................................135
§ 4.3.1. Феноменологическое описание сегнетоэластических переходов в
модели тетрагональной высокосимметричной фазы (модель № 1).........135
§ 4.3.2 Сравнение выводов феноменологической теории, развитой в модели № 1, с экспериментом.......................................140
§ 4.3.3. Результаты измерений in situ спонтанных орторомбических деформаций и степени упорядочения кислорода в УВазСизОу.у.......143
§ 4.4. Феноменологическое описание сегнетоэластических переходов в кубической прафазе YBaiCujC^.y.............................................. 145
§ 4.4.1. Обоснование модели........................................145
§ 4.4.2. Теория собственносегнетоэластнческих переходов в кубической
прафазе YBa^Ci^Oy.j................................................150
§ 4.4.3. Феноменологическое описание сегнетоэластических переходов в перовскитоподобной прафазе, вызванных упорядоченным расположением
Y-Ba по А-подрешетке...............................................157
§ 4.5. Интерпретация структурных фазовых переходов в УВа^СизОу.у на основе модели, предполагающей сегнетоэластическую неустойчивость кубической прафазы (модель Л» 2)..................................................161
§ 4.5.1 Особенности концентрационных фазовых переходов в УВа2Си307.у
при 300 °К на основе модели №2.....................................161
§ 4.5.2 Особенности собственносегнетоэластических фазовых переходов в УВа2Сиз07.у при высоких и низких температурах с точки зрения теории Ландау.........................................................168
Глава 5. Корреляция между температурой перехода в сверхпроводящее состояние и структурой УВазСизОу.у......................................172
§ 5.1. Симметрийно обусловленное взаимодействие кристаллического поля со
структурой куперовского конденсата в УВа2Си307.у........................173
§ 5.1.1. Возможные состояния куперовского О - конденсата в кристаллическом поле прафазы УВа2Си307.у ..............................173
§ 5.1.2. Влияние спонтанных деформаций кристаллического поля на границу стабильности сверхпроводящего состояния в УВа2Сиз07.ч ...187
§ 5.1.3. Другие варианты теории влияния спонтанных деформаций на стабильность куперовского О - конденсата ........................191
§5.2. Доказательство слабого влияния кристаллических полей разной симметрии на температуру границы стабильности сверхпроводящего состояния УВа2Си307.ч.............................................................195
Глава 6. Теория структуры слоев Си (1)0|.у в УВа2С11з07.у(1-2-3)...........205
§ 6.1.1 Модель структуры слоя СиО|.у в УВа2Си307.}( 1-2-3)..................207
§6.1.1 Обоснование модели..............................................207
§6.1.2. Минимальное число эффективно парных взаимодействий, совместимое с удвоением периода в фазе 0(11).............................209
6
§6.1.3. Неравновесный потенциал и стабильность однородного состояния................................................................213
§6.2. Теория Ландау упорядочения кислорода в слое СиО|.у 216
§6.2.1. Структура параметра порядка.................................216
§5.2.2. Фазовая диаграмма и упорядоченные фазы.......................218
§6.2.3. Ограничения на компоненты параметра порядка..................223
§6.2.4. Стабильность упорядоченных фаз..............................225
§6.2.5. Структура фазы 0(11)........................................242
§6.3. Теория Ландау о состоянии подрешетки ионов меди в слоях Си(1)(Охи|.х)2
.........................................................................246
§6.4. Экспериментапьная идентификация фаз................................248
Заключение...............................................................250
г
Литература...............................................................253
«
♦
И
7
ВВЕДЕНИЕ
і
Исходные положения и определения. Свойства материалов определяются их восприимчивостями в заданном состоянии к внешним воздействиям. Состояние материала задается его обобщенными координатами, от которых зависит его равновесный <7 и неравновесный Ф термодинамические потенциалы [I - 3]. При заданных условиях на термостате равновесный потенциал- это число, измеряемое в единицах энергии. Неравновесный потенциал зависит от величины отклонения обобщенных координат вещества от их равновесных значений. Эти отклонения удобно выражать через симметрические координаты ('/,»Пк), называемые компонентами параметров порядка [4 - 16].
Первая производная Ф по отклонению обобщенной координаты п, от
равновесного значения 7о/ при-непрерывном изменении состояния определяет
%
величину возвращающей силы. В случае фазовых переходов возвращающая
добавки к Ф( 7о;), определяемой отклонениями плотности вероятности распределения заряда от равновесного значения в упорядоченной фазе [4 - 7].
Если внешние условия соответствуют тому, что вещество (или его отдельные компоненты) находятся вблизи границы лабильности равновесной фазы, то говорят о состоянии вещества, близком к критическому. В состоянии, близком к критическому, часть компонент тензора обобщенной обратной восприимчивости аномально мала по сравнению с их значени-
ем в обычных условиях. Соответствующие аномально малым значениям
тическим обобщенным координатам внешние поля тоже называются критическими. Соответствующие критическим полям компоненты тензора обобщен-
ной восприимчивости определяют характер активности материала. Если крити-
сила в упорядоченной фазе определяется первой производной от ДФ(7, “7о/) -
обобщенные координаты (7,» 7*) называются критическими. Сопряженные кри-
ческие поля соответствуют реальным электрическим полям и внешним механическим напряжениям, то говорят об электромеханически активных материалах [17-29].
Актуальность проблемы. Применяющиеся в современной технике для базовых элементов радиоэлектронных устройств электромеханически активные материалы (пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, ферриты и т.п.- как собственные, так и несобственные) представляют собой, в основном, твердые растворы, полученные по керамической технологии из компонент, стабильных в определенных интервалах внешних условий. Их реологические свойства, в частности, прочность, трещиностойкость, хрупкость, пластичность, электропроводность, химическая и термическая стойкость и др. являются исключительно важными, а иногда и определяющими с точки зрения возможности их практического использования[25-31]. Поэтому изучение процессов повреждаемости керамических материалов является одной из актуальных проблем физики конденсированного состояния.
Второй не менее актуальной проблемой является создание новых активных материалов. Теоретическое обеспечение целенаправленного поиска материалов с заранее заданными свойствами основано на исследованиях фазовых диаграмм [32-37]. Поэтому, наряду с изучением непосредственно процессов повреждаемости электромеханически активных материалов, принципиально важно уметь предсказывать вид характерных для них фазовых диаграмм.
Цели исследовании. Первая цель диссертационной работы состояла в исследовании процессов повреждаемости электромеханически активных материалов, в том числе и при циклировании условий прохождения через фазовый переход, а также зависимости их прочностных и электрофизических характеристик от некоторых технологических условий формирования.
Второй целью диссертационной работы явилось построение фазовых диаграмм и решение проблемы характеристики свойств фаз некоторых элек-
тромеханически активных материалов, в том числе и пьезоэлектриков пятого поколения (твердых растворов РМЫ-РТ, РгЫ-РТ и др.).
Научная новизна полученных результатов определяется следующим:
1. Впервые получен и экспериментально проверен критерий, определяющий изменение структурного состояния материалов на основе параметров акустической эмиссии, не зависимо от предистории деформирования.
2. Впервые по экспериментальным данным о деформации на начальном этапе нагружения определены предельные давления, ограничивающие существование дисперсно- и поликристаллических состояний, возникающих на различных этапах формирования керамики под воздействием давления и температуры.
3. Впервые установлены аналитические соотношения между расщеплением линий энергетического спектра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) иона Рг3+ и-величинами компонент параметра порядка, описывающего фазовые переходы в РгАЮз, для шести разных по симметрии фаз, наблюдаемых в РгАЮ3. Тем самым показано, что в кристаллах, содержащих редкоземельные ионы, зависимость энергетического спектра ЭПР от температуры можно использовать для определения зависимости от температуры компонент «антисегнетоэлектрического» параметра порядка. В свою очередь зависимость компонент параметра порядка от внешних условий позволяет оценить вид зависимости спонтанных деформаций кристалла от температуры.
4. Впервые аналитически описаны аномалии в поведении упругих модулей и параметров решетки, проявляющиеся при изоструктурных фазовых переходах в сегнетоэластической фазе в кубических собственных ссгнетоэластнках.
5. Впервые построена фазовая диаграмма твердых растворов собственных сегнетоэлектриках - тройных и четверных окислов со структурой иеров-скита в области морфотропной границы, при конечном (не малом) значении поляризации. В частности, установлены условия стабилизации триклинной фазы, наиболее перспективной для создания электрострикционных материалов
следующих поколений.
6. Впервые установлено, что деформационные переходы в УВа2Сиз07.у непосредственно связаны с потерей стабильности кубической прафазы УВа2СизС>7.у по отношению к деформациям типа растяжение-сжатие.
7. Впервые доказано, что стабильное существование фазы О(Н) в УВа2Сиз07.у можно описать в рамках феноменологической теории, учитывающей только эффективно парные взаимодействия, если предположить, что взаимодействия охватывают минимум пять координационных сфер. Построена теория, учитывающая взаимодействие кислород - кислород и кислород - вакансия в пяти координационных сферах; установлены условия стабилизации фаз Т, 0(1) и 0(11) вУВа2Си307.у.
8. Впервые доказано отсутствие влияния спонтанных орторомбических деформаций УВа2Си307.у на температуру фазового перехода этого кристалла в состояние, характеризуемое высокотемпературной сверхпроводимостью, что оказалось принципиальным для трактовки физических характеристик высокотемпературных сверхпроводников. В частности, на основании этого результата, была разработана теория, связывающая результаты экспериментов по прохождению джозефсоновского тока через контакт УВа2Сиз07.у - РЬ при разных геометриях контактов (ранее результаты ряда экспериментов с разными геометриями контакта УВазСизСЬ.у - РЬ [38], позволяющие определить симметрию куперовского конденсата в УВа2Си307.у, выглядели как взаимоисключающие).
Достоверность полученных с диссертации результатов обеспечивается применением современного математического аппарата теории представлений групп, теории инвариантов, тщательным анализом условий получения экспериментальных данных (если используются результаты разных авторов) и сопоставлением данных, полученных в разных лабораториях, а также широкой апробацией всех результатов на семинарах лаборатории «Теории фазовых переходов» НИИ Физики Ростовского госуииверситета, на конференциях и семинарах
11
всероссийского и международного уровня, публикациями результатов диссертации в центральной академической печати и журналах высшей школы.
Основные положения, выносимые на защиту':
1. Равновесные термодинамические характеристики на начальных этапах формирования керамики позволяют предсказать «опасные» значения давления, при которых состояние керамической массы аналогично двухфазному состоянию твердых растворов. (В работе предложена модель и получены численные оценки опасных значений давления для ЦТС-83 (РЬ2гхТ1,.х03). Оценки близки к значениям, полученным экспериментально).
2. В собственных кубических сегнетоэластиках при определенных условиях должны наблюдаться изоструктурные фазовые переходы, обусловленные симметрией собственного параметра порядка. (В работе теоретически изучено возможное проявление таких изоструктурных переходов в скоростях распространения продольной и поперечной звуковых волн).
3. В области морфотропной границы в собственных сегнетоэлектриках по мере удаления от условий стабильности кубической (параэлектрической) фазы должна проявляться область стабильности триклинной фазы, перспективной для создания пьезоэлектрических материалов следующего поколения. (В работе выявлены условия стабилизации триклинной фазы).
4. Спонтанные орторомбические деформации примитивной ячейки УВазСизС^.у в фазе 0(11) происходят не под влиянием упорядочивающейся кислородной подсистемы, а являются результатом проявления сегнетэласгиче-ской неустойчивости перовскитоподобной прафазы УВа2Сиз07.у.
Спонтанные орторомбические деформации в фазе 0(1) не являются соб-ственносегнетоэластическими. Они обусловлены некоторым «скрытым» параметром порядка, проявляющемся в изломе на кривой концентрационного расширения примитивной ячейки УВа2Сиз07.у. Скрытый параметр отличен от параметра упорядочения кислорода.
5. Спонтанные деформации УВа2Сиз07.у не влияют на температуру пере-
хода в сверхпроводящее состояние. (В работе на основе экспериментальных данных 36 различных авторов построена зависимость Тс(у) и симмстрийная теория этой зависимости. Показано, что ни одна из теоретически установленных в рамках существующих моделей зависимость Тс(а,Ь,с) не соответствует эксперименту. Здесь (а,Ь,с) - параметры элементарной ячейки УВазСизСЬ-у).
6. Наблюдаемые в УВа2Сиз07.у при низких температурах упорядочения кислорода в фазах 0(1) и 0(11) не могут найти объяснение в рамках теорий, учитывающих только эффективно парные взаимодействия, если не предполагать, что эти взаимодействия распространяются менее, чем на 5 кординацио-ных сфер. (В работе построена теория упорядочения кислорода, аналогичная теории Горского-Брегга-Вильямса, учитывающая взаимодействия в сколь угодно большом числе координационных сфер. Показано, что такая теория определяется всего пятью феноменологическими параметрами).
Положения, выносимые на защиту, и полученные в работе результаты объединяются в новое научное» направление в физике, конденсированного состояния: «Феноменологическая теория изменения структуры и свойств электромеханически активных материалов в зависимости от их состава и внешних условий».
Практическая ценность работы.
1. Установлен эмпирический критерий, позволяющий по энергетическим характеристикам акустической эмиссии давать оценку степени поврежденно-сти керамики вне зависимости от предистории различных физикомеханических воздействий.
2. Предложена и разработана модель формирования прочностных свойств керамики под давлением, позволяющая по начальным характеристикам изменения плотности от давления предсказывать значение критического давления, приводящего к возникновению новых поверхностей межкристаллит-ных границ («раскрытию» мезоскопических трещин внутри изначальных зерен) и к снижению прочностных свойств керамики после снятия формующего
давления.
3. Предложен метод и разработана аналитическая теория измерения величины и температурной зависимости параметра порядка и стрикционных характеристик антисегнетоэлектриков, содержащих ионы редких земель, по энергетическим характеристикам ЭПР.
4. В структуре морфотропной границы выявлена область стабильности триклинной фазы -- перспективной для синтеза новых пьсзоэлсктриков и элек-трострикторов, относящихся к следующему (шестому) поколению электромеханически активных материалов.
Личный вклад автора. Диссертация представляет итог самостоятельной работы автора, обобщающий полученные им лично, а также в соавторстве с коллегами, аспирантами и студентами результаты.
Все положения, выносимые на защиту, были предложены, сформулированы и доказаны лично авторов диссертации. Автору принадлежит выбор направлений и разработка методов исследования поставленных задач, трактовка и обобщение результатов.
Трудоемкие и громоздкие вычисления, сопутствующие части работ, были первоначально проведены автором диссертации, а затем повторялись аспирантами (Левченко (Просекиной) И.Г., Румянцевой В.А., Казьминым Е.И., Коваленко М.И., Гуфаном АЛО., Кладенок Л.А., Климовой Е.Н.) и студентами (Телепневой Ю.Н., Гуфаном АЛО.), которые таким образом изучали математический аппарат разрабатываемой теории.
Темы ряда конкретных работ вырабатывались во время бесед и дискуссий (личных и на семинарах) с сотрудниками НИИ Физики Ростовского государственного университета: Ю.М. Гуфаном, A.II. Садковым, Е.С. Лариным, коллегами из других ВУЗов и учреждений РАН: Э.В. Козловым, H.A. Коневой, С.О.Крамаровым, Л.М. Кацнельсоном, М.И. Новгородовой, С.И. Буйло, М.Б. Стрюковым и другими участниками семинаров.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах лаборатории «Теории фазовых переходов» НИИ Физики Ростовского госуниверситста, а также были апробированы на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах:
3-й Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Россия, г.Ростов н/Д, 1997 год);
8-м Международном симпозиуме по физике сегнетоэлсктриков-полупроводникоз - IMFS-8 ( Россия, г.Ростов н/Д, 199S год);
15-й Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков - ВКС-15 (Россия, г.Ростов н/Д, 1999 год);
22d International Conference on Low Temperature Physics - (LT-22), Helsinki 1999;
15-й Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Россия, г.Москва, 1999 год);
2-м Ростовском международном симпозиуме по высокотемпературной сверхпроводимости - INTERNATIONAL MEETING on HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVITY (IMHTS - 2R) (Россия, г. Ростов н/Д, 2000 год); Международном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах» - ОМА-2000 (Россия, г.Азов, 2000 год);
5-й Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Россия, г. Ростов н/Д , 2000 год);
4-ом Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» -ODPO-2001 (Россия, г.Сочи, 2001);
5-ом Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» -ODPO-2002 (Россия, г.Лоо, 2002);
6-ом Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» -ODPO-2003 (Россия, г.Лоо, 2003);
4-м Международном семинаре по физике сегнетоэластиков - International Seminar on Ferroelastics Physic (Россия, г.Воронеж, 2003);
7-ом Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» -ООРО-2004 (Россия, г.Сочи, 2004).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 42 работы [39 -30]. Диссертация основана на 32 публикациях [44 - 64, 70 - 80]. Они представляют собой статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК РФ, статьи, опубликованные в иностранных журналах с высоким индексом цитирования, а также работы, опубликованные в трудах международных и всероссийских конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, списка цитированной литературы. Общий объем диссертации 276 страниц, содержит 41 рисунок, библиографический список - 283 наименования.
16
ГЛАВА 1
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ И МЕХАНИЗМОВ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ
КВАЗИХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ
В данной главе рассмотрены феноменологические модели, описывающие изменение механических характеристик керамических материалов при неупругом деформировании и разрушении, а также в процессе формирования под воздействием давления и температуры.
Построена феноменологическая модель процессов неупругого деформирования и разрушения квазихрупких материалов, описывающая эволюцию структурных уровней повреждаемости и изменение функциональной роли основных механизмов диссипации энергии. Получен и экспериментально проверен критерий, определяющий структурное состояние материалов независимо от предистории деформирования на основе интегрального акустическо-эмиссионного параметра, пропорционального относительному вкладу, обусловленному накоплением скрытой внутренней энергии разрушения 0Р в суммарную мощность диссипации И7 при неупругом деформировании.
Построена феноменологическая модель, описывающая равновесные механические характеристики керамических материалов, включающая численные критерии для определения границ существования дисперсно- и по-
>*
ликристаллических фаз на различных этапах технологического процесса формирования керамики из кристаллического порошка под давлением.
Основное содержание данной главы опубликовано в работах [39 - 50, 53 -55, 65 -69].
§ 1.1. Объективизация критериев степени поврежден пости, полученных на основе данных акустической эмиссии
Эксплуатация электромеханически активных материалов сопровождается изменением их физико-механических характеристик и прочностных свойств. Для исследования этих процессов перспективно использование акустико-эмиссионных методов, основанных на регистрации акустической эмиссии (АЭ) - излучения ультразвука, возникающего в ходе внутренних динамических локальных изменений структуры твердого тела [81 - 87]. Возможно также применение АЭ методов для неразрушающего контроля и оптимизации технологических процессов на всех этапах керамической технологии изготовления электромеханически активных материалов [41 -42, 65 - 67, 88 - 89]. Однако, непосредственное применение метода АЭ для указанных целей не приводит к желаемому результату. Это связано с принципиальными проблемами, возникающими при использовании стандартных АЭ параметров ( интенсивность АЭ - N и мощность АЭ - £) для исследования интегральных процессов повреждаемости материалов, обусловленными эффектами, связанными с зависимостью АЭ от предыстории различных физико-механических воздействий, которым подвергался исследуемый образец, в частности, невоспроизводимостыо или значительным ослаблением АЭ при повторном нагружении («эффект Кайзера») [87 -92].
§ 1.1.1. Физические механизмы диссипации при неупругом • деформировании квазихрупких материалов
Основная задача первого этапа исследований состояла в разработке такой методики обработки регистрируемых сигналов АЭ, которая позволяла бы получать объективные данные о структурном состоянии исследуемых материалов независимо от предистории их деформирования.
Рассмотрение кинетики необратимых процессов деформирования и разрушения как последовательности переходов к более высоким структурным уровням диссипации по мере исчерпания ресурсов низших уровней, проведенное авторами работ [92 - 100], приводит к выводу о том, что изменение функциональной роли основных диссипативных структур на различных этапах деформирования квазихрупких материалов должно также сопровождаться и изменением относительных вкладов, обусловленных основными каналами диссипации в ее общую суммарную мощность. Следовательно, имеется реальная возможность использования в качестве параметров разрушения квазихрупких материалов некоторых экспериментально определяемых величин, характеризующих соотношение между мощностями основных составляющих энергетического баланса диссипации [101-102]..
Феноменологический анализ динамики элементарных физических механизмов пластической деформации и разрушения квазихрупких материалов, проведен?!ый.авторомтз [42, 44, 45,.47-48], показывает, что развитие деструктивных процессов в квазихрупких материалах сопровождается формированием диссипативных структур на различных масштабных уровнях, основными из которых являются:
1-дислокационные структурные уровни, основным каналом диссипации которых является трансформация упругой энергии в тепловую при пластическом деформировании;
2 - мезоскопический структурный уровень, основным каналом диссипации которого является преобразование упругой энергии в термодинамическую свободную энергию поверхностей разрушения, образующихся при раскрытии микротрещин;
3 - макроскопический структурный уровень, основным каналом диссипации которого является трансформация упругой энергии в термодинамическую свободную энергию поверхностей разрушения, образующихся при раскрытии макротрещин.
19
Основной вклад в суммарную мощность диссипации при неупругом деформировании квазихрупких материалов вносят составляющие энергетического баланса диссипации IV , связанные с накоплением скрытой внутренней энергии разрушения и, и тепловым эффектом пластической деформации 0„. Пренебрегая вкладами , обусловленными накоплением скрытой внутренней энергии пластической деформации ип за счет различных дислокационных механизмов и тепловым эффектом разрушения Ог при раскрытии трещин, энергетический баланс диссипации в первом приближении можно представить в виде:
ш =зир + зоя (1.1)
На основе рассмотрения кинетики необратимых процессов деформирования и разрушения как последовательности переходов к более высоким структурным уровням диссипации по мере исчерпания ресурсов низших уровней в [42, 44, 45, 47 - 48] автором сделан вывод о том, что изменение функциональной роли основных диссипативных структур на различных этапах деформирования приводит к тому, что развитие деструктивных процессов в квазихрупких материалах сопровождается ростом относительного вклада, обусловленного накоплением скрытой внутренней энергии разрушения 0р и соответственно, снижением вклада интенсивности теплового эффекта пластической деформации Оп в общую мощность суммарной диссипации IV.
Отсюда следует возможность использования в качестве параметров и критериев разрушения квазихрупких материалов некоторых экспериментально определяемых величин, характеризующих соотношение между мощностями основных составляющих энергетического баланса диссипации: 0Р/И',<2„/И' или £>,/&.
20
§ 1.1.2. Экспериментальное исследование динамики диссипативных процессов при неупругом деформировании
Экспериментальное исследование динамики диссипативных процессов динамики диссипативных процессов при неупругом деформировании различных квазихрупких материалов с использованием метода ЛЭ для изучения кинетики накопления скрытой внутренней энергии в деформируемых объемах твердого тела позволило получить новые экспериментальные данные о закономерностях развития диссипативных структур при пластическом деформировании и разрушении [42, 44], которые подтверждают справедливость феноменологического подхода, описанного в предыдущем параграфе.
Обобщение полученных экспериментальных результатов, проведенный с позиций современных кинетических представлений физики разрушения, базирующийся на термодинамическом анализе физических процессов деформирования и разрушения реальных твердых тел, в основе которого лежит структурно-энергетическая интерпретация физических механизмов диссипации энергии, с учетом иерархии структурных уровней деформирования и повреждаемости, а также изменения их функциональных ролей на различных стадиях деформирования материалов позволило автору в [42] предложить новые экспериментально проверяемые параметры и критерии разрушения, характеризующие соотношение между мощностями основных составляющих термодинамического баланса диссипации.
На основе проведенного автором в [42,44] анализа акустического излу-
• . У
чения, возникающего при деформировании различных квазихрупких материалов, сделан вывод о возможности оценки изменения скрытой внутренней энергии разрушения АС/р путем определения суммарной энергии соответствующей дискретной последовательности регистрируемых сигналов АЭ:
АЕ г=1А? (1.2)
(где А\ - амплитуда единичного импульса дискретной АЭ).
В [42] приведено подробное описание разработанной автором методики экспериментального исследования процессов диссипации энергии при неупругом деформировании квазихрупких материалов. Методика основана на одновременной регистрации энергии АЭ АЕу и определении величины
необратимо затраченной при неупругом деформировании энергии АЖ в условиях одноосного квазистатического нагружения.
Экспериментальное исследование процессов диссипации энергии при неупругом деформировании и разрушении проводилось на образцах из: сег-нетоэлектрических керамических материалов типа ПКР-1, ПКР-8, ЦТС-19 (изготовленных методом горячего прессования); различных видов строительной керамики; цементного теста, различных видов бетонов.
Для жесткого ступенчатого нагружения образцов использовался механический пресс УМЭ-ЮТМ, скорость деформирования составляла 0,5 мм/мин. Нагрузка Р подавалась с увеличением АР = 0,05/? (/? -средний предел прочности), с выдержкой на каждой ступени в течение = 200 с. За время выдержки образца на /-й ступени нагружения, вследствие происходящих в материале релаксационых процессов, обусловленных пластической деформацией и повреждаемостью, происходит снижение величины нагрузки АР, (в зависимости от уровня нагрузки и вида материала величина АР-, -(10*2 - 10'1) Я ). При этом величина суммарной диссипации в первом приближении равна высвобожденной упругой энергии и определяется как:
МУ = У2МАР1 (1.3)
где АЯ = и - £, - начальная, -соответствующая / - ой ступени на-
гружения длина образца).
Как показано автором в [42, 44], изменение скрытой внутренней энергии разрушения А1/р для квазихрупких материалов определяется, с точностью до постоянного коэффициента, величиной суммарной энергии АЭ АЕу и может быть определено в соответствии с (1.2).
22
На рис. 1.1 (а,б) представлены типичные экспериментальные зависимости величин (Д£е),.и (ДIV), от нормированной нагрузки сг =Р,/Я , полученные при первоначальном и повторном деформировании (сг™зх- максимальная нагрузка при первоначальном нагружении) образцов из керамических материалов ЦТС-19, характеризующие, соответственно, скорость изменения скрытой внутренней энергии разрушения 0Дет) и суммарную мощность диссипации упругой энергии IV(сг).
Анализ экспериментальных зависимостей АЕу (сг) и АИ/(ст), полученных при одноцикловом нагружении показывает, что они достаточно полно отражают динамику развития процессов повреждаемости, а перегибы на кривой АЕу(сг) соответствуют реперным моментам трещинообразования
(а° - начало объемного трещинообразования, <т^- начало локализации очагов разрушения и развития макротрещин). При повторном нагружении отмечается значительное снижение величин АЕу (а) (так называемый “эффект
Кайзера”) и АЖ(сг), что приводит к искажению динамики зависимостей в сравнении с одноцикловым нагружением, и невозможности однозначной оценки структурного состояния материала, подвергавшегося предварительному нагружению.
§ 1.1.3. Обсуждение результатов эксперимента
Анализ экспериментальных результатов при одноцикловом и двухцикловом нагружении различных квазихрупких материалов (керамика, бетон, цементное тесто) подтвердил вывод о том, что увеличение степени по-врежденности структуры квазихрупких материалов сопровождается ростом относительного вклада 0р, обусловленного накоплением скрытой внутренней энергии разрушения и, соответственно, снижением относительного
23
вклада, обусловленного тепловым эффектом пластической деформации
в общую мощность суммарной диссипации IV .
В [42, 44] автором было предложено использовать в качестве критерия, определяющего изменение структурного состояния материалов, новый интегральный акустико-эмиссионный параметр
* = ДЕ^/МГ, (1.4)
где ДЕе - энергия АЭ, АЖ - суммарная диссипация в течение определенного временного интервала А/. Этот интегральный акустико-эмиссионный параметр является характеристикой относительного вклада, обусловленного накоплением скрытой внутренней энергии разрушения 0р в суммарную
мощность диссипации IV при »супругом деформировании материала.
На рис. 1.2 (а,б) представлены экспериментальные зависимости при одноцикловом (а) и двухцикловом (б) деформировании нормированного параметра л-(сг):
$(сг)=а АЕ1 (а)/ ДЖ(сг), (1.5)
где коэффициент нормировки а = АЕ^(а)/АЖ(сг) при а -> Я .
При первоначальном нагружении изменение величины д(<т) представляет некоторую монотонно возрастающую зависимость от уровня нагрузки <т , а сравнение с рис. 1.1 (а) позволяет сделать вывод о эквивалентности функциональной связи параметров АЕ^(сг) и ^(сг) с кинетикой процессов повреждаемости материала. При повторном нагружении (рис.2(б)) величина ^(сг) в диапазоне нагрузок сг < сг™34 практически совпадает с максимальным значением s((T™), достигнутым в ходе первоначального деформирования, что свидетельствует о сохранении информативных свойств параметра л(<т) при повторном нагружении материала. Как показал анализ экспериментальных данных, изменение начала и длительности временного интервала регистрации величин АЕу(сг) и ДЖ(сг) в течение времени выдержки на /- ой
24
ступени нагружения практически не влияет на величину определяемого параметра $(сг). Такое свойство стабильности выгодно отличает его от энергетического параметра АЕ^(ст)у при экспериментальном определении которого возникает ряд проблем, связанных с обоснованным выбором границ временного интервала регистрации сигналов АЭ.
Независимость введенного параметра я от предшествующего деформирования материала является его важнейшим свойством, обуславливающим преимущество использования в сравнении с известными акустикоэмиссионными параметрами (интенсивность АЭ - N, мощность АЭ - £), проявляющими сильную зависимость от предшествующего деформирования, для оценки структурного состояния квазихрупких материалов. Другим важным свойством является возможность определения степени поврежден-ности исследуемого материала по результатам измерений на одной из ступеней нагружения, в отличие от необходимости измерений в широком диапазоне нагрузок* для интенсивности и мощности АЭ, а также отсутствие зависимости от размера исследуемых образцов.
Проведена экспериментальная проверка предложенного интегрального акустико-эмиссионного параметра на различных керамических и родственных им материалах (в том числе и на композитах [40, 65 - 69]). Результаты экспериментальных исследований подробно обсуждены в [42 - 50]. Установлено существование однозначной функциональной связи между величиной интегрального акустико-эмиссионного параметра ^ и структурным состоянием исследуемых материалов, а также сделан вывод о том, что введенный параметр б является достаточно стабильной и универсальной акустикоэмиссионной характеристикой степени поврежденности квазихрупких материалов, позволяющей определить структурное состояние деформируемого твердого тела независимо от предшествующего деформирования и других условий регистрации сигналов АЭ (в частности, от размера образцов и временных интервалов измерений).
25
дЕс, мкВ2
Д\У, эрг
Рис. 1.1 (а,б). Экспериментальные зависимости от нагрузки а) АЕг(сг ) и
б) АЩа ■) : 1) при первоначальном (с максимальной нагрузкой сго"!ак = 0,85) и 2) повторном деформировании керамических образцов.
Рис. 1.2 (а,б) . Экспериментальные зависимости нормированного параметра б (а) : а) при первоначальном (оотах= 0,85 ) и б) повторном деформировании керамических образцов.
- Київ+380960830922