Статистический анализ низкотемпературного дислокационного пика внутреннего трения (пик Бордони) в наноструктурной меди

Abstract

Проанализирована частотно-температурная зависимость внутреннего трения в наноструктурных образцах Cu и волокнистого композита Cu–32 об.%Nb с размерами фрагментов структуры ∼200 нм. Для такого анализа использованы результаты выполненных ранее экспериментов, в которых на температурной зависимости декремента колебаний (частота 73–350 кГц) зарегистрирован характерный для сильно деформированной меди пик Бордони, локализованный вблизи температуры 90 К. Этот пик обусловлен резонансным взаимодействием звука с системой термически активированных релаксаторов, но его ширина существенно больше ширины стандартного пика внутреннего трения с единственным временем релаксации. Выполнен статистический анализ пика на основе предположения, что причиной уширения является случайный разброс энергии активации релаксаторов вследствие сильного искажения кристаллической структуры меди. Установлено хорошее согласие экспериментальных данных с теорией Зегера, которая рассматривает в качестве релаксаторов для пика Бордони термически активированные парные кинки на прямолинейных отрезках дислокационных линий, расположенных в долинах потенциального рельефа Пайерлса. Показано, что зарегистрированная в эксперименте высота пика соответствует присутствию в среднем одного дислокационного сегмента внутри кристаллита меди размером 200 нм. Получены эмпирические оценки для критического напряжения Пайерлса σР ≈ 2·10⁷ Па и интегральной плотности внутризеренных дислокаций ρd ≈ 10¹³ м⁻². Волокна Nb в композите Cu–Nb способствуют образованию наноструктурной меди, но заметного влияния на пик Бордони не оказывают.

Проаналізовано частотно-температурну залежність внутрішнього тертя в наноструктурних зразках Cu і волокнистого композиту Cu–32 об.%Nb з розміром фрагментів структури ∼200 нм. Для такого аналізу використано результати виконаних раніше експериментів, у яких на температурній залежності декремента коливань (частота 73–350 кГц) зареєстровано характерний для сильно деформованої міді пік Бордоні, який локалізований поблизу температури 90 К. Цей пік є наслідком резонансної взаємодії звуку з системою термічно активованих релаксаторів, але його ширина істотно перевищує ширину стандартного піка внутрішнього тертя з єдиним часом релаксації. Виконано статистичний аналіз піка на основі допущення, що причиною його розширення є випадковий розкид енергії активації релаксаторів внаслідок сильного спотворення кристалічної структури міді. Встановлено, що експериментальні дані узгоджуються з теорією Зегера, яка розглядає в якості релаксаторів для піка Бордоні термічно активовані парні кінки на прямолінійних відрізках дислокаційних ліній, які розміщені у долинах потенціального рельєфу Пайєрлса. Показано, що зареєстрована у експериментах висота піка відповідає наявності у середньому одного дислокаційного сегмента в середині кристаліта міді розміром 200 нм. Одержано емпіричні оцінки для критичної напруги Пайєрлса σР ≈ 2·10⁷ Па та інтегральної густини дислокацій у зернах ρd ≈ 10¹³ м⁻². Волокна Nb у композиті Cu–Nb сприяють утворенню наноструктурної міді, але не впливають помітно на пік Бордоні.

The temperature-frequency dependence of internal friction in the nanostructured samples of Cu and fibred composite C–32 vol.%Nb with the sizes of structure fragments ∼ 200 nm is analyzed. Experiments are used as initial information for such analysis. The characteristic for the heavily deformed copper Bordoni peak, located nearby a temperature 90 K, was recorded on temperature dependence of vibration decrement (frequencies 73–350 kHz) in previous experiments. The peak is due to the resonance interaction of sound with the system of thermal activated relaxators, and its width considerably greater in comparison with the width of standard internal friction peak with the single relaxation time. Statistical analysis of the peak is made in terms of assumption that the reason of broadening is random activation energy dispersion of relaxators as a result of intense distortion of copper crystal structure. Good agreement of experimental data and Seeger’s theory considers thermal activated paired kinks at linear segments of dislocation lines, placed in potential Peierls relief valley, as relaxators of Bordoni peak, was established. It is shown that the registered peak height in experiment correspond to presence at the average one dislocation segment in the interior of crystalline grain with size of 200 nm. Empirical estimates for the critical Peierls stress σР ≈ 2·10⁷ Pа and integrated density of the interior grain dislocations ρd ≈ 10¹³ m⁻² are made. Nb fibers in the composite Cu–Nb facilitate to formation of nanostructured copper, but do not influence evidently on the Bordoni peak.