Короткі теоретичні відомості

Суттєвий внесок у поглинання пружної енергії роблять такі поверхні розділу, як межі зерен, блоків, двійників, доменів, міжфазні границі і т. ін. Розсіювання енергії коливань у цих випадках може бути зумовлене як прямим відбиванням пружних хвиль від поверхонь розділу, так і різним рухом цих поверхонь під дією прикладеної напруги.

Границі зерен, блоків та двійників. На графіках залежності ВТ від температури полікристалічних зразків після відпалу в інфразвуковому та звуковому діапазонах частот спостерігають максимуми поглинання, які відсутні на кривих ТЗВТ монокристалічних зразків із тих же металів. Температура, при якій спостерігають перший найбільш інтенсивний пік, завжди відповідає області початку ковзання по границях зерен із помітною швидкістю. Тому, природно, що даний пік був пов’язаний із вказаним явищем і названий зернограничним.

Релаксаційні зернограничні максимуми (ЗГМ) вперше спостерігались Ке. Висота цих максимумів зростає зі зменшенням величини зерна. Температура основного, низькотемпературного максимуму, дорівнює приблизно половині від Т _пл. Енергія активації лежить між енергіями активації зернограничної дифузії та самодифузії, частотний фактор відповідає атомним стрибкам. Домішки заміщення заглушують цей пік. При цьому в спектрі ВТ виникає домішковий зернограничний максимум (ДЗМ) з енергією активації, що збігається з енергією активації дифузії домішки в матеріалі.  

Окрім низькотемпературного зернограничного максимуму, який іноді називають основним зернограничним піком (ОЗГП), у деяких металах спостерігаються середньотемпературні [ Т _м = (0,5-0,6 Т _пл ): Cu, Ni, Ag, Au] та високотемпературні зернограничні піки (СЗГП та ВЗГП) [ Т _м = (0,7-0,8 Т _пл): Al, Cu, Ni, Sn], що викликані релаксаційними процесами на спеціальних межах зерен.

Так, середньотемпературний максимум зв’язують із двійниками відпалу. Його енергія активації близька до енергії самодифузії, висота піка проходить через максимум при збільшенні величини зерна, а введення домішок заглушує його.

Переміщення границь у напрямку нормалі також супроводжується релаксацією прикладених напруг. Це переміщення може бути зумовлене різною кристалографічною орієнтацією областей по обидва боки від межі, різницею їх пружних модулів та іншими причинами. Прикладом такої релаксації може служити рух границь двійників під дією зовнішньої напруги. Дійсно, якщо напруги зсуву прикладені вздовж поверхні границі, то вони намагаються привести границю двійника в таке положення, в якому їх дія на двійник була б мінімальною. Це приводить до того, що площина поділу двійника переміщується в напрямку, перпендикулярному до її поверхні. При зміні знака прикладеної напруги на протилежний границя буде переміщуватись у зворотному напрямку. Переміщення двійникової границі буде супроводжуватись дифузією розчинених у матеріалі атомів, які утворюють в області двійника атмосфери Сузукі. Такого роду дифузійні потоки розчинених атомів при переміщенні двійникових границь зумовлюють залежність швидкості їх переміщення від температури досліду. При збігові швидкості переміщення границь із частотою вимірювань на кривих ТЗВТ буде спостерігатись максимум ВТ.

Високотемпературний максимум ВТ спостерігається, коли в зразку є границі зерна, що проходять через весь переріз зразка (так звана “бамбукова структура”). Енергія активації цього максимуму дещо вища, ніж енергія активації об’ємної самодифузії.

У твердих розчинах заміщення, крім низькотемпературного зернограничного максимуму, виділяють “ домішковий ” максимум з енергією активації, близькою до енергії активації дифузії домішки в матриці. Зі зростанням концентрації елемента домішки до деякого критичного значення падає висота основного зернограничного максимуму і зростає висота домішкового. Критична концентрація для кожної пари елементів своя і визначається видом домішки та характером взаємодії домішки з границями зерен та їх впливом на рухливість зернограничних дислокацій.

Запропоновані механізми зернограничної релаксації базуються на трьох підходах: 1) моделі ковзання, 2) моделі міграції, 3) дислокаційні моделі.

Зінером запропонований механізм, згідно з яким напруги зсуву, що виникають при цих експериментах на границі між сусідніми зернами, можуть із плином часу повністю релаксувати. Однак через наявність інших зерен, які обмежують можливість зсуву по границі, зовнішні напруги можуть релаксувати тільки частково. Згідно з цією моделлю, на кривій Q ^-1(T) в такому випадку повинен виникати пік. Величина зсуву по границях зерен при даній напрузі, а отже, і час релаксації зростають при збільшенні розмірів зерна. Тому зростання розмірів зерен повинно супроводжуватись зміщенням піка ВТ при фіксованій частоті коливань в область високих температур, що й спостерігається на практиці. Ступінь релаксації буде пропорційним до величини зсуву вздовж границі при даній напрузі, помноженій на повну площу цих меж в одиниці об’єму. Зміщення границь прямо пропорційне, а повна площа обернено пропорційна розміру зерен, внаслідок чого їх добуток не залежить від цього параметра. Отже, висота піка не повинна суттєво залежати від величини зерна, поки розмір зерна не стане рівним поперечному перерізу зразка. Цей висновок також підтверджується дослідним шляхом. Розглянемо основні моделі, які описують зернограничні максимуми.