ЕЛЕКТРИЧНІ ПОЛЯ І ПЛАСТИЧНІСТЬ КРИСТАЛІВ - ЗУЄВ Л
ЕЛЕКТРИЧНІ ПОЛЯ І ПЛАСТИЧНІСТЬ КРИСТАЛІВ (ЗУЄВ Л.Б., 1998), ФІЗИКА
Розглянуто природу впливу електричного поля на міцність та пластичність твердих тіл різної природи. Проаналізовано механізми ефектів, пов'язані з впливом електростатичного поля на заряджені точкові та лінійні дефекти (дислокації) у кристалах діелектриків. Обговорено природу електропластичного ефекту в металах, пов'язаного з дією електричних струмових імпульсів великої амплітуди, та його застосування на практиці.
І ПЛАСТИЧНІСТЬ КРИСТАЛІВ
Томський державний університет
Сучасна фізика ставить своїм завданням визначити електричну структуру всіх речовин, що зустрічаються в природі, і вивести закони фізичних і хімічних явищ з основних законів взаємодії електричних зарядів та із законів їх руху.
І.Є. Тамм. Основи теорії електрики
Сили взаємодії між частинками у твердих тілах мають електромагнітну природу, причому величини позитивних та негативних електричних зарядів у тілі точно рівні один одному, що забезпечує його макроскопічну електричну нейтральність. Однак, оскільки будь-який кристал містить дефекти різних типів, що спотворюють ідеальну структуру, окремі мікрооб'єми його неідентичні один одному, і можна припустити, що сувора рівновага зарядів в локальній області поблизу дефекту не виконується. В цьому випадку можна очікувати, що електричні поля в діелектриках і електричні струми в провідниках будуть діяти на ділянці кристала, що містять дефекти. Оскільки за пластичність відповідальні саме дефекти, то неважко дійти висновку, що електрична дія може ефективно змінювати характер пластичного перебігу кристалів.
Очевидно, першим описав такийефект французький фізик Дюфор у 1856 році. Він виявив, що міцність мідного дроту після пропускання електричного струму зменшується, а залізного - збільшується. Це була перша вказівка на те, що дія електричного струму не зводиться лише до виділення джоулева тепла Q
I 2 (закон Джоуля-Ленца).
Ідея управління механічною поведінкою твердих тіл за допомогою електричних полів дуже приваблива і здається порівняно просто реалізованою. Цим пояснюється великий інтерес, виявлений дослідниками проблеми електропластичного ефекту. Саме так прийнято називати це явище у науковій літературі [1]. Відповідно до реакції твердих тіл на електричні поля можна очікувати, що існують два різновиди ефекту, характерні для діелектриків і провідників. Їх зручно розглядати окремо.
Зрозуміти істоту справи можна з прикладу лужно-галоїдного кристала, наприклад NaCl. Його структура визначається правильним чергуванням симетрично розташованих у просторі позитивних іонів Na+ та негативних Cl-. Вимога електронейтральності зводиться до точної рівності чисел іонів кожного знака у кристалі. Але треба пам'ятати, що у реальному кристалі поруч із однозарядними іонами Na+ завжди є двозарядні, наприклад Ca2 +. Вимога збереження електронейтральності в цьому випадку викликає необхідність появи в одній з позицій, де в ґратах мав би бути іон Na+, порожнього місця - вакансії, яка має ефективний негативний електричний заряд qv = е (е - заряд електрона). Тільки в цьому випадку, як легко переконатись, зберігається електронейтральність. Такі заряди призводять до виникнення іонного струму провідності, носіями якого є заряджені вакансії.
Отже, в обсязі всьогокристала електронейтральність досягнута, але окремі його мікрооб'єми можуть мати електричний заряд, що робить їх чутливими до електричного поля. Останнє може діяти ними силою Кулона, пропорційної величині електричного заряду. Особливо це суттєво, коли надлишковий заряд набуває дислокація – дефект, відповідальний за пластичну деформацію [2]. Походження такого заряду зрозуміти неважко. Розподіл елементарних зарядів уздовж лінії дислокації в ідеальному кристалі та кристалі з домішками відрізняється. У другому випадку зарядів одного знака (наприклад, позитивних) більше, дислокаційна лінія виявляється зарядженою, отже, на одиницю її довжини діє сила Кулона
Тут q1 - електричний заряд одиниці довжини дислокаційної лінії, Е - напруженість електростатичного поля, яке поміщений кристал. Звичайно, ця сила невелика, але її буває достатньо, щоб викликати рух дислокацій та пластичну деформацію. Спостереження руху дислокацій за таких умов було першим доказом того, що вони можуть бути електрично заряджені. З боку зовнішніх напруг s на ту саму одиницю довжини дислокаційної лінії також діє сила [2]
(b - вектор Бюргерса дислокації), і вона також призводить до руху дислокацій. Можна створити ситуацію, коли на дефекти діють одночасно обидві сили [3], можливо, по-різному орієнтовані, причому Fs . FЕ.
Такі експерименти [3] були проведені на кристалах NaCl за схемою, показаною на рис. 1. Виявляється, що залежно від орієнтації електричного поля щодо лінії дислокації може спостерігатися як прискорення (крива 2), так і уповільнення (крива 1) їхнього руху. При цьому виникає природна можливість оцінити щільність дислокаційної заряду.лінії у кристалах NaCl. Обчислення показують, що ця величина складає
10-11 Кл/м. Цікаво, що ця дуже мала величина (всього у одного елементарного заряду на 10 параметрів решітки) призводить до експериментальних ефектів.
Розкажемо тепер про поведінку в електричному полі своєрідних кристалічних об'єктів, які зазвичай називають вусами (англійською whiskers) або ниткоподібними кристалами через їх форму. Якщо обмежитися лише кристалами NaCl, такі об'єкти мають характерні розміри
10-2 i 10-5 i i 10-5 м. Тобто це тонкі і порівняно довгі кристали, форма яких цілком пояснює їх назву. Для нас важливо, що такі кристали виростають бездислокаційними, практично ідеальними. З'ясувалося, що вуса мають електричний заряд і якщо їх помістити в перпендикулярно орієнтоване осі кристала електричне поле напруженістю
104 B/м, вони згинаються. Спостерігаючи мікроскоп за відхиленням кінчика кристала від початкового положення, можна побудувати криву, показану на рис. 2. Її складна форма показує, що причини ефекту, мабуть, кілька. Спочатку кристал просто згинається під впливом сили електричного походження. Одночасно всередині кристала в електричному полі дифундують вакансії, так що з часом у поверхні виникає їх надлишок. Заряджені вакансії починають відштовхуватися один від одного, що деякою мірою компенсує початковий вигин, і кристал починає розгинатися. Якщо якийсь момент електричне поле відключити, то вигин кристала відразу змінюється на протилежний, та був поступово спадає до нуля. Цікаво, що якщо кристал вигнути механічним навантаженням (ми робили це обдаючи його повітрям), то тимчасова залежність вигинузначно простіше, що можна побачити на тому ж рис. 2. При механічному навантаженні дифузії вакансій немає і відсутні ефекти, пов'язані з нею.
Цікаво, що схожий вигин у електричному полі спостерігався на так званих негативних вусах [4]. Так називаються кристалографічно ограновані пори в кристалах приблизно такої ж форми та розмірів, як і звичайні вуса. У цьому випадку ефект має суто дифузійну природу і пов'язаний з дифузією по поверхні такого вуса. Проте можливе навіть руйнування (розрив) таких пір в електричному полі, в точності подібне до руйнування звичайних вусів.
Переважна більшість металів та сплавів використовуються в практиці у пластично деформованому стані. З фізичної точки зору метал - це електронна рідина, в яку занурені позитивно заряджені іони, що утворюють його кристалічні ґрати. Виникає приваблива ідея використовувати електричні поля для пластичної деформації металів, виключивши, якщо це можливо, механічні пристрої для деформації: прокатні стани, молоти, штампи і т.п. Звичайно, це фантастичне припущення, але виявилося, що пропускання потужних імпульсів електричного струму щільністю
1 ГА/м2 (109 А/м2) дозволяє суттєво вплинути на динаміку процесу пластичної деформації [1, 5]. Наведена вище необхідна для реалізації ефекту щільність електричного струму пояснює труднощі його реалізації: таку щільність струму можна створити лише порівняно тонких провідниках з розмірами поперечного перерізу всього близько кількох кв. міліметрів. Інакше може не вистачити потужності електростанції!
Який механізм впливу потужних електричних імпульсів на пластичність металів? Вперше ми спостерігали мікроскопічний прояв такогоефекту в дослідах руху дислокацій в монокристалах Zn [6] аналогічно тому, як це було описано вище для кристалів NaCl. Виявилося, що у цьому випадку також спостерігається прискорення руху дислокацій. Однак говорити про наявність заряду на дислокаційних лініях у цьому випадку, звичайно, не можна: будь-який заряд у металі екранується електронним газом на відстані всього кілька параметрів решітки. Пояснення ефекту слід шукати в іншій області. І його було знайдено. Виявляється, що електрони, що рухаються при протіканні струму, розсіюються на дислокаціях і передають їм свій імпульс. Це призводить до появи додаткової сили, що діє дислокацію. Таке явище було названо електронним вітром [7], причому термін відповідає суті справи у цьому випадку.
Дислокація є неоднорідність решітки, і електрони провідності, що рухаються вздовж провідника з дрейфовою швидкістю u неминуче втрачатимуть її в момент зіткнення з ядром дислокації. Це й спричинить виникнення додаткової сили. Величину цієї сили можна оцінити [7] з наступних простих міркувань. Подамо дислокацію одиничної довжини як майданчик розміром b. Тоді за одиницю часу з нею зіткнеться nu електронів, кожен із яких має імпульс p. Тоді загальний імпульс nup, а сила bnup. Використовуючи закон Ома j = nue, отримуємо
Ця формула була перевірена в експериментах із мікроскопічними кульками Cu, які припікалися до мідної платівки [7]. Гарний збіг розрахункових та спостережуваних величин підтвердив існування механізму електронного вітру.
Тепер необхідно розповісти про практичне застосування такого ефекту під час пластичної деформації металів. Найбільш зручно використовувати його у разі волочіння дроту [5]. По-перше, дріт зазвичай має невеликеперетин, і порівняно неважко забезпечити протікання струму достатньої щільності, а по-друге, такий струм легко подати у осередок деформації (рис. 3). Побудовані з цією метою спеціальні генератори електричних імпульсів великої потужності були застосовані при волочении дроту на Західно-Сибірському металургійному комбінаті. Їх застосування дало великий і цікавий ефект: насамперед зусилля, необхідне протягування дроту через фільєру, знизилося на 15-20%, скоротилося кількість обривів дроту під час волочіння, процес став стійкішим. Але найцікавіше у тому, що змінилися механічні властивості дроту. На її поверхні замість твердого шару, характерного для звичайного процесу, утворився м'який, дріт став більш пластичним.
Електрична дія на тверді тіла в жодному разі не зводиться тільки до їх нагрівання. Дефекти структури, що визначають механічні властивості матеріалів, мають електричні заряди і негайно відгукуються на додаток полів або протікання електричного струму. Це особливо суттєво при малих розмірах об'єктів, наприклад, у сучасних мікромініатюрних електронних пристроях. Вони можуть як поступово змінювати свій стан, а й взагалі руйнуватися під час роботи, яка полягає, власне, у певної реакцію дію електричного сигналу.
1. Спіцин В.І., Троїцький О.А. Електропластична деформація металів. М: Наука, 1985. 160 с.
2. Орлов О.М. Введення в теорію дефектів у кристалах. М: Вища. шк., 1983. 144 с.
3. Зуєв Л.Б. Фізика електропластичної лужно-галоїдних кристалів. Новосибірськ: Наука, 1990. 120 с.
4. Гегузін Я.Є. Нариси про дифузію у кристалах. М: Наука, 1970. 180 с.
5. Громов В.Є., Зуєв Л.Б., Козлов Е.В., Целлермаєр В.Я.Електростимульована пластичність металів та сплавів. М.: Надра, 1996. 270 с.
6. Зуєв Л.Б., Громов В.Є., Курілов В.Ф. Рухливість дислокацій в монокристалах Zn за впливу імпульсів струму // Докл. АН СРСР. 1978. Т. 239. ╧ 1. С. 84-85.
7. Гегузін Я.Є. Живий кристал. М: Наука, 1981. 192 с.
Лев Борисович Зуєв, доктор фізико-математичних наук, професор Томського державного університету, заст. директора Інституту фізики міцності та матеріалознавства Сибірського відділення української Академії наук. Автор 200 наукових статей та 2 монографій.