Файл: Рохлин, Л. Л. Акустические свойства легких сплавов.pdf

АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ И МАГНИЕВЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ

Особенности распространения ультразвука в монокристаллах

Монокристаллы, как правило, представляют собой упругоанизотропную среду, распространение ультразвука в которой отли­ чается от распространения его в упругоизотропных средах [204, 258—262]. Анализ волнового уравнения показывает, что в упругоани­ зотропной среде в большинстве направлений чисто продольные и чисто поперечные волны не распространяются. Чисто продольные волны, для которых характерна параллельность вектора смещения направлению распространения, и чисто поперечные волны, для которых характерна перпендикулярность вектора смещения на­ правлению распространения волны, имеют место в упругоизотроп­ ных средах, а в упругоанизотропных средах — лишь в определен­ ных направлениях.

В случае кубических кристаллов [259] этими особыми направ­ лениями будут [100], [110] и [111]. Для направления распространения [100] чисто поперечные волны могут иметь произвольно ориенти­ рованные векторы смещения. Для направления [110] векторы сме­ щения для чисто поперечных волн должны быть направлены вдоль [001] или [ПО]. Для направления [111] чисто поперечные волны могут иметь вектор смещения, ориентированный произвольным об­ разом в плоскости (111). В случае гексагональных кристаллов [262] чисто продольные и чисто поперечные волны распространяются в направлениях, параллельных и перпендикулярных гексагональной оси симметрии кристаллической решетки. Чисто поперечные волны в гексагональных кристаллах распространяются также в том слу­ чае, если вектор смещения перпендикулярен плоскости, проходящей через гексагональную ось симметрии и направление распростране­ ния волн.

Чистые моды в гексагональных кристаллах могут возникать и при определенных углах 0 между направлением распространения и гексагональной осью. В случае монокристаллов магния соответст­ вующее значение угла 0 ~ 50°. Для остальных направлений в ку­ бических и гексагональных кристаллах угол между направлением распространения и вектором смещения вследствие упругой анизо­ тропии среды отличается от 0 или 90°, так что распространяющиеся волны можно рассматривать как волны смешанного типа. Если преобладает смещение частиц в направлении, параллельном направ-

5* 101

Рис. 52. Зависимость скоро­ £ ’//? & см /сex сти распространения упругих волн в магнии от угла между гексагональной осью и на­ правлением распростране­

ния

с/ — кваэипродольная волна; Cf — квазипоперечная волна с наибольшей скоростью; — чисто поперечная волна с век­ тором смещения, лежащим в плоскости базиса и перпендику­ лярным направлению распрост­ ранения волны

лению распространения, волна — кваэипродольная. Если преоб­ ладает смещение частиц в направлении, перпендикулярном направ­ лению распространения волны, волна — квазипоперечная. В упру­ гоанизотропной среде скорость распространения квазипоперечной волны должна зависеть от азимутальной ориентации вектора сме­ щения.

Таким образом, в общем случае упругая волна в кристалле в произвольном направлении должна рассматриваться состоящей из волн трех типов с взаимно перпендикулярными векторами сме­ щения и различными скоростями распространения: одной продоль­ ной со скоростью распространения с/ и двумя поперечными со ско-

Рис. 53. Скорость распространения квазипродольных (а) и квазнпоперечных (б, в) упругих волн в монокристаллах алюминия, в 10ьсм/сек. Проведены линии пос­ тоянных значений скорости

[///] 6,S2l>

102

ростями распространения с(1 и с(г. При распространении ультра­ звуковых волн в кристаллах направление вектора потока энергии в общем случае не совпадает с волновым вектором. Законы отра­ жения на границе в случае кристаллов несколько отличаются от законов отражения в случае упругоизотропных сред.

Распространение упругих волн в монокристаллах алюминия и магния довольно подробно рассмотрено в работах [260, 262], где рассчитаны скорости ультразвука в кристаллах в различных на­ правлениях. В случае магния, имеющего гексагональную решетку,

103

Рис. 54. Ориентационный фактор дислокационного затухания квазнпродольных. упругих волн в монокристалле алюминия, связанный с колебанием дислокаций во всех системах скольжения

значения скорости ультразвука зависят только от полярного угла 0' между осью образца и гексагональной осью и не зависят от азиму­ тальной позиции относительно гексагональной оси, характеризуе­ мой углом ср. Значения скорости ультразвука в монокристаллах алюминия и магния приведены на рис. 52, 53 [260, 262].

Основным механизмом затухания ультразвука в монокристал­ лах при частотах порядка 10 Мгц должно быть колебание петель дислокаций. Поскольку дислокации при распространении ультра­ звука могут колебаться лишь в определенных плоскостях кристал­ лической решетки, затухание, обусловленное колебанием дислока­ ций, должно зависеть от ориентировки монокристаллов.

На рис. 54 показаны рассчитанные значения ориентационного фактора дислокационного затухания в монокристалле алюминия,

Рис. 55. Ориентационный фактор дислокационного затухания упру­ гих волн в монокристаллах маг­ ния, связанный с тремя системами скольжения

104

связанного со всеми двенадцатью системами скольжения [260]. Расчет проводился для квазипродольных волн.

Рассчитанные значения ориентационного фактора дислокацион­ ного затухания в монокристалле магния также для всех возможных систем скольжения [263] показаны на рис. 55. Ориентационный фактор дислокационного затухания в случае гексагональной решет­ ки зависит только от угла 0 между осью образца и гексагональной

Вэкспериментальной работе [264], выполненной на монокрис­ таллах алюминия чистотой 99,999%, было установлено, что зату­ хание ультразвука в них зависит от ориентации. При этом измерен­ ная величина затухания в различных направлениях в общем со­ гласуется с рассчитанными значениями ориентационного фактора дислокационного затухания.

Вболее поздней работе, выполненной на алюминии чистотой 99,97%, соответствия между измеренным коэффициентом затухания ультразвука и рассчитанным ориентационным фактором дислока­ ционного затухания установлено не было [265].

Затухание ультразвука

валюминиевых и магниевых монокристаллах

всостоянии после выращивания

Представленные ниже экспериментальные данные были полу­ чены на монокристаллах, выращенных по методу Бриджмена. Основная часть работы была проведена на монокристаллах алюми­ ния и магния, выращенных без дополнительного легирования. В ка­ честве шихтовых материалов при этом использовали алюминий А99, чистотой 99,99%, алюминий А999, чистотой 99,999% и магний повышенной чистоты — 99,99%.

Монокристаллы алюминия, приготовленные на А99, выращи­ вали на воздухе с использованием флюса, состоящего из 30—38% NaCl, 47% КС1 и 15—20% Na3AlF0. Вначале металл расплавляли в корундизовом тигле, а затем переливали в кварцевую изложницу. Флюс предохранял расплавленный металл от взаимодействия с ма­ териалом изложницы. При скорости кристаллизации ~ 1,5 мм!мин можно было получать цилиндрические кристаллы диаметром 17—■ 19 мм и длиной 120—130 мм.

Монокристаллы алюминия, приготовленные на алюминии А999, выращивали в вакууме 10~5 — 10~6 мм рт. ст. Расплавление и вы­ ращивание монокристаллов осуществляли в графитовой изложнице. Скорость кристаллизации при выращивании — 0,2 мм.

Монокристаллы магния выращивали в графитовой изложнице в атмосфере аргона со скоростью кристаллизации ~ 0,2 мм/мин. В этой же изложнице происходило расплавление шихты.

Как показали результаты спектрального и масс-спектрографи- ческого анализов и измерения удельного электросопротивления,

105

при выращивании происходило некоторое загрязнение металлов. Монокристаллы алюминия, приготовленные на А99, имели чистоту порядка 99,97%. Монокристаллы алюминия, выращенные на А999,

имели чистоту порядка 99,995% (р2вз0к/Р4,2°к = (5 -г- 6)-103). Чи­ стота монокристаллов магния после выращивания — 99,98%.

Монокристалличность полученных после выращивания образцов определяли при макротравлении, позволяющем выявлять границы зерен. В случае алюминиевых монокристаллов использовали для этой цели смесь азотной и соляной кислоты приблизительно в со­ отношении 1 : 1. В случае магниевых сплавов для выявления моно­ кристалличности использовали травитель, состоящий из 80% ук­ сусной кислоты и 20% воды.

Ориентировка выращенных монокристаллов, как правило, не соответствовала осям симметрии кристаллической решетки.

При отклонении режима выращивания монокристалла от опти­ мального получали образцы, состоящие из двух и более зерен. Затухание ультразвука в этих образцах было больше, чем в моно­ кристаллах. В соответствии с теорией рассеяния ультразвука зернами между величиной зерна и коэффициентом затухания ультразвука прослеживалась зависимость. Эта зависимость для образцов, полу­ ченных при кристаллизации алюминия А99, показана на рис. 56. Форма зерен в образцах, которые не являлись монокристаллами, была различной — в одних случаях они были равноосными, в других — вытянутыми вдоль или перпендикулярно оси образцов. В связи с этим для характеристики величины зерен целесообразно было использовать среднее значение их объема.

На рис. 56 видно, что с увеличением размеров зерен затухание ультразвука в образцах снижается так, что монокристаллы имеют наименьшие значения коэффициентов затухания.

ССд $ /yfi. путР

Рис.56. Зависимость затухания ультразвука в литых образцах от среднего объ­ ема кристаллитов. Три темные точки соответствуют монокрнсталлическим образ­ цам; продольные волны

106

Т а б л и ц а 4

Коэффициент затухания ультразвука, ориентационные факторы дислокационного затухания и характеристики субструктуры алюминиевых и магниевых монокристаллов *

* Методика расчета углов разориеитнровкн указана в [268].

Из табл. 4 видно, что наименьшими значениями коэффициента затухания обладают монокристаллы алюминия 99,97%. Затухание ультразвука в них находится в пределах от 1 до 7 дб/м и, таким образом, имеет тот же порядок, что и в звукопроводных магниевых сплавах МДЗ-1 и МДЗ-2. Коэффициент затухания ультразвука монокристаллов алюминия 99,995% находится в пределах 36— 43 дб/м, т. е. значительно более высокий, чем монокристаллов алю­ миния 99,97%. Наконец, коэффициент затухания ультразвука маг­ ниевых монокристаллов лежит в пределах 8—20 дб/м и является промежуточным между значениями коэффициента затухания ультра­ звука монокристаллов алюминия 99,97% и 99,995%.

Отжиг полученных после выращивания монокристаллов практи­ чески не сказывается на величине затухания ультразвука.

Так как между величиной коэффициента затухания и ориента­ ционным фактором дислокационного затухания в случае монокрис-

108