Письма в ЖЭТФ, том 110, вып. 12, с. 793 - 796

Магнитопластический эффект при релаксации напряжения в

кристаллах NaCl

М. В. Галусташвили, Д. Г. Дриаев¹⁾, В. Г. Квачадзе

Тбилисский государственный университет им. И. Джавахишвили, 0179 Тбилиси, Грузия

Институт физики им. Э. Андроникашвили, 0186 Тбилиси, Грузия

Поступила в редакцию 21 октября 2019 г.

После переработки 25 октября 2019 г.

Принята к публикации 8 ноября 2019 г.

Впервые экспериментально исследовано влияние слабого магнитного поля на релаксацию напря-

жения в кристаллах NaCl после прекращения активной деформации. Полученные результаты свиде-

тельствуют, что при релаксации напряжения магнитопластический эффект проявляется в увеличении

глубины релаксации и существенном разупрочнении, чувствительном к скорости активной деформации;

при сопряжении магнитного поля со слабым электрическим эти эффекты значительно усиливаются.

DOI: 10.1134/S0370274X19240044

Влияние слабого магнитного поля (МП) (B

∼

часов при 700^◦С, охлаждался до комнатной тем-

∼ 1Тл) на пластические свойства немагнитных кри-

пературы, а затем по плоскостям спайности {100}

сталлов на сегодняшний день довольно хорошо изу-

выкалывались образцы с примерным размером

чено (см. обзоры [1-6]). Это явление, называемое

2.5 × 4 × 8 мм.

магнитопластическим эффектом (МПЭ), обусловле-

Испытания проводились одноосным сжатием

но спин-зависимой трансформацией в магнитном по-

вдоль направления

[001] в интервале скоростей

ле структуры парамагнитных примесных центров в

деформации

= 10^-5-10^-3 с^-1 в “жесткой” де-

кристаллах, что уменьшает пиннинг дислокаций и

формационной машине DY-22, все детали которой

облегчает их движение [7]. МПЭ изучался как на

в области действия МП были изготовлены из

уровне индивидуальных дислокаций, так и в макро-

немагнитных материалов. Диаграммы напряжение-

пластичности материалов: при их активном нагру-

деформация σ(ε) записывались на двухкоординат-

жении [8], активной деформации [9, 10], ползучести

ном самописце. О работе той или иной пары систем

[11] и внутреннем трении [12, 13]. В частности, в МП

скольжения можно было судить по картинам трав-

существенно изменяется предел текучести и струк-

ления на любой стадии деформации и по появлению

тура диаграмм деформирования щелочногалоидных

на противоположных гранях кристалла ступенек

кристаллов. Причем, при добавлении к магнитному

скольжения, обусловленных выходом краевых дис-

слабого электрического поля (ЭП), эти изменения

локаций. Измерения кривых деформации σ(ε) и

значительно возрастают [14, 15], что связывается с

релаксационных кривых дублировались не менее,

термоактивационным ростом плотности магнитоак-

чем на 3 образцах.

тивных центров на дислокациях [16, 17].

Постоянное МП с индукцией B = 0.9 Тл создава-

Вместе с тем, воздействие МП на такую инфор-

лось набором пластин из SmCo₅. В зазор между по-

мативную характеристику макропластичности, как

люсами магнита помещалась керамическая подстав-

релаксация напряжений, также связанную с движе-

ка, на которую ставился образец так, чтобы вектор B

нием и блокировкой дислокаций, до сих пор не изуча-

был ортогонален оси сжатия и двум противополож-

лось. Цель настоящей работы - исследовать влияние

ным широким боковым граням кристалла. ЭП созда-

магнитного и электрического полей на этот релакса-

валось путем подключения напряжения к пластинам

ционный процесс в кристаллах NaCl.

SmСо₅, которые одновременно играли роль электро-

В экспериментах использовались кристаллы

дов; поэтому вектор напряженности Е (E = 20 кВ/м)

NaCl, содержащие в основном двухвалентную при-

был параллелен В.

месь Са⁺⁺. Блок NaCl отжигался в течение шести

Исходная диаграмма σ(ε) кристалла NaCl при

B = 0 представлена на рис.1 (кривая 1). На кривой

¹⁾e-mail: dria.dm@mail.ru

четко прослеживаются все три стадии деформацион-

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

793

794

М. В. Галусташвили, Д. Г. Дриаев, В. Г. Квачадзе

представляется естественным, поскольку по мере за-

медления деформации дислокационная структура во

все большей мере успевает перестраиваться, прибли-

жаясь к равновесной конфигурации, при которой

уровень внутренних напряжений оказывается мини-

мальным [16].

Из кривых релаксации на рис.2 видно, что при

повторном нагружении кристалл упрочняется на

Рис. 1. Диаграммы σ(ε) кристаллов NaCl: 1 - B = 0;

2 - B = 0.9Тл, ε = 2 · 10^-5 с^-1

ного упрочнения. Первоначально действует одна па-

ра ортогональных систем скольжения из двух равно-

правных 〈110〉{110}, причем, с равной вероятностью

активируется любая из двух пар.

Иная картина возникает при деформировании об-

разца в МП (рис. 1, кривая 2). Как правило, начинает

“работать” та пара плоскостей скольжения, в которой

Рис. 2. Зависимость спада напряжения от времени ре-

краевая компонента дислокационных петель ортого-

лаксации (при B = 0) для кристалла NaCl при ско-

нальна вектору магнитной индукции В. При этом

ростях 2 · 10^-4 с^-1 (кривая 1) и 2 · 10^-5 с^-1 (кривая

воздействие МП значительно понижает предел теку-

2). На вставке - фрагменты диаграммы σ(ε) с за-

чести (в случае, приведенном на рис. 1, примерно с

писью кривых релаксации напряжения для скоростей

6 до 4 МПа) и на начальной стадии деформирования

2· 10^-4 с^-1 (a) и 2 · 10^-5 с^-1 (b); стрелка указывает мо-

уменьшает коэффициент деформационного упрочне-

мент переключения скоростей

ния.

Для получения релаксационных кривых актив-

ная деформация образца прекращалась на разных

некоторую величину относительно начального уров-

стадиях на время t_r, за которое релаксация в ос-

ня релаксации σ₀. Это указывает на быстрое ста-

новном заканчивается, а затем повторно включалась

рение дислокаций в процессе релаксации, благода-

при той же скорости перемещения пуансона. Вид

ря диффузии точечных дефектов [17] с образовани-

кривых, глубина релаксации и время t_r зависят от

ем облака Котрелла. Для исключения влияния сте-

скорости ε и степени предварительной деформации

пени предварительной деформации на релаксацион-

ε. Большая часть релаксационных кривых получена

ный процесс релаксационные кривые сняты в узком

при ε < 2 %, когда пиннинг-центрами, в основном,

интервале деформаций (Δε ≈ 0.3 %).

являются точечные дефекты, определяющие МПЭ.

Зависимости Δσ_t(t) в присутствии МП представ-

При более высоких степенях деформации преобла-

лены на рис. 3, на этом же рисунке - типичные ре-

дающую роль в торможении дислокаций начинает

лаксационные кривые на диаграммах σ(ε). Анализ

играть лес дислокаций, малочувствительный к дей-

и сравнение зависимостей Δσ_t(t) и фрагментов диа-

ствию МП [8].

грамм σ(ε) на рис. 2 и 3 позволяет заключить, что

На рисунке 2 показана временная зависимость

в МП растет глубина релаксации и время выхода

спада напряжения Δσ_t = σ₀ - σ_t при релаксации,

на прежний режим деформации, а также повышает-

где σ₀ - напряжение, соответствующее началу ре-

ся чувствительность процесса релаксации к скорости

лаксации, σ_t - напряжение спустя время t. На этом

деформации. Особо следует отметить существенное

же рисунке приведены фрагменты диаграммы σ(ε)

разупрочнение кристалла (в отличие от упрочнения

с записью кривых релаксации напряжения, по ко-

при B = 0): при повторном нагружении выход на ре-

торым вычислялись значения σ_t. Видно, что глуби-

жим пластического течения начинается при напря-

на релаксации при понижении ε уменьшается. Это

жениях гораздо ниже уровня начала релаксации σ₀.

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

Магнитопластический эффект при релаксации напряжения в кристаллах NaCl

795

Рис. 3. Зависимость спада напряжения от времени ре-

Рис. 4. Диаграмма напряжение - деформация кристал-

лаксации для кристалла NaCl при B = 0.9 Тл и ско-

ла NaCl при B(0.9 Тл) + E(20 кВ/м). На вставке -

ростях 2 · 10^-4 с^-1 (кривая 1) и 2 · 10^-5 с^-1 (кривая

участки диаграммы σ(ε) с записью кривых релаксации

2). На вставке - фрагменты диаграммы σ(ε) с записью

напряжения: a - МП, b - МП + ЭП, ε = 2 · 10^-5 с^-1

соответствующих кривых релаксации напряжения при

скорости ε = 2 · 10^-4 с^-1 (a) и 2 · 10^-5 с^-1 (b); стрелка

нитного и электрического полей воспроизводимость

указывает момент переключения скоростей

результатов носит нерегулярный характер.

Таким образом, полученные в работе эксперимен-

По-видимому, дислокации, движущиеся при пла-

тальные результаты показывают, что МП повыша-

стической деформации, предваряющей релаксацию,

ет эффективность релаксации внутренних механиче-

преобразуют исходную примесную структуру, остав-

ских напряжений, возникающих в кристалле при его

ляя за собой магниточувствительные локальные сто-

активной деформации, что проявляется в увеличе-

поры. Представленные результаты свидетельствуют,

нии глубины релаксации и существенном разупроч-

что количество магнитоактивных примесных цен-

нении, чувствительном к скорости активной дефор-

тров и время их жизни достаточно, чтобы в процес-

мации. Несомненно, это отражает магнитостимули-

се релаксации в МП замедлить истощение (дефицит)

рованную пластификацию кристалла, благодаря по-

подвижных дислокаций, что должно способствовать

вышению подвижности дислокаций.

увеличению глубины релаксации и уменьшению на-

Наблюдается существенная электростимуляция

пряжения старта при повторном нагружении кри-

МПЭ при совокупном воздействии магнитного и до-

сталла.

вольно слабого ЭП. Это видно как из диаграмм σ(ε),

В связи с явлением электростимуляции МПЭ

так и из кривых релаксации. По-видимому, столь яр-

[14, 15, 18, 19], были выполнены эксперименты при

кое электрическое влияние на МПЭ действительно

одновременном действии на образец магнитного и

связано с термоактивационным (экспоненциальным)

электрического полей; на рис. 4 представлена соот-

увеличением количества на дислокациях магнитоак-

ветствующая диаграмма σ(ε). Видно, что помимо

тивных примесных центров Са⁺ в присутствии ЭП

дополнительного снижения предела текучести, зна-

[18, 19].

чительно удлиняется стадия легкого скольжения с

Авторы выражают глубокую благодарность

низким значением коэффициента деформационного

А. Иашвили и В. Тавхелидзе за техническую помощь.

упрочнения - кристалл “течет” почти до 2.5 % дефор-

мации.

1. В. И. Альшиц, Е. В. Даринская, М. В. Колдаева,

На вставке рис.4 представлены релаксационные

Е. А. Петржик, Кристаллография 48, 826 (2003).

кривые, полученные при деформировании в МП с

2. А. А. Урусовская, В. И. Альшиц, А. Е. Смирнов,

подключением ЭП во время снятия кривой b. Сопо-

Н. Н. Беккауэр, Кристаллография 48, 855 (2003).

ставление кривых релаксации a и b на рис. 4 иллю-

3. Ю. И. Головин, ФТТ 46, 769 (2004).

стрирует электростимуляцию процесса релаксации:

4. Р. Б. Моргунов, УФН 174, 131 (2004).

наряду с двукратным увеличением глубины релакса-

5. V. I. Alshits, E. V. Darinskaya, M. V. Koldaeva, and

ции, имеет место еще большее разупрочнение и воз-

E. A. Petrzhik, in Dislocations in Solids, ed. by

растание времени выхода на прежний режим пласти-

J. P. Hirth, Elsevier, Amsterdam (2008), v. 14, p. 333.

ческого течения при повторном нагружении. Однако

6. В. И. Альшиц, Е. В. Даринская, М. В. Колдаева,

следует отметить, что при совместном действии маг-

Е. А. Петржик, Письма в ЖЭТФ 104, 362 (2016).

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019

796

М. В. Галусташвили, Д. Г. Дриаев, В. Г. Квачадзе

7. В. И. Альшиц, Е. В. Даринская, М. В. Колдаева,

13. D. Driaev, A. Iashvili, L. Kankadze, and S. Tsakadze,

Р. К. Котовский, Е. А. Петржик, П. Трончик, УФН

Rev. Sci. Instruments 88, 054904 (2017).

187, 327 (2017).

14. А. А. Урусовская, В. И. Альшиц, Н. Н. Беккауэр,

8. Ю. И. Головин, Р. Б. Моргунов, Письма в ЖЭТФ 61,

А. Е. Смирнов, ФТТ 42, 267 (2000).

583 (1995).

15. М. В. Галусташвили, Д. Г. Дриаев, Ф. Х. Акопов,

9. А. А. Урусовская, В. И. Альшиц, А. Е. Смирнов,

С. Д. Цакадзе, ФТТ 55, 1565 (2013).

Н. Н. Беккауер, Письма в ЖЭТФ 65(6), 470 (1997).

16. А. А. Урусовская, А. М. Петченко, В. И. Мозговой,

10. М. В. Галусташвили, Ф. Х. Акопов, Д. Г. Дриаев,

ФТТ 31, 195 (1989).

В. Г. Квачадзе, С. Д. Цакадзе, ФТТ 58, 543 (2016).

17. С. В. Лубенец, ФТТ 44, 72 (2002).

11. Б. И. Смирнов, Н. Н. Песчанская, В. И. Николаева,

18. В. И. Альшиц, Е. В. Даринская, М. В. Колдаева,

ФТТ 43, 2154 (2001).

Е. А. Петржик, Письма в ЖЭТФ 88, 500 (2008).

12. Н. А. Тяпунина, В. Л. Красников, Э. П. Белозерова,

19. V. I. Alshits, E. V. Darinskaya, M. V. Koldaeva, and

ФТТ 41, 1035 (1999).

E. A. Petrzhik, J. Appl. Phys. 105, 063520 (2009).

Письма в ЖЭТФ том 110 вып. 11 - 12

2019