Inhomogeneous positron trapping in fatigued aluminum single crystals

Summary

Surface fatigue phenomena have been studied in 99.9999% aluminum single-crystal cantilever beams subjected to reverse bending, by using positron annihilation and X-ray diffraction techniques. The coincidence of about the same penetration depth of the surface fatigue damage and of the positrons resulted in a very high sensitivity of the positron technique which, combined with X-ray diffraction, yielded information after single fatigue cycles for a fatigue life of about 10⁷ cycles. A linear positron trapping model based on an inhomogeneous distribution of two different types of traps has been developed by using and extending the principles of the simple linear trapping model for one type of traps. The lifetimes and the relative integrated intensities at annihilation of positrons in pairs of aluminum single-crystal specimens were measured as functions of the number of fatigue cycles during the fatigue hardening stages I and II, the two crystals being subjected to the same strain amplitude of 0.17%. Correlation between the positron results and the corresponding spots of von Laue back-reflections was obtained. In early stages of fatigue, two characteristic position lifetimes, the first being (215±15) ps and the second varying during fatigue from 230 ps to (260±15) ps, have been found and have been interpreted to originate from trapping of positrons at dislocation jog elements and voids/vacancy dipoles, respectively.

Riassunto

Si sono studiati fenomeni di fatica superficiale in travi a mensola di monocristalli di alluminio al 99.9999%, soggetti a flessioni opposte, usando tecniche di diffrazione dei raggi X e di annichilazione di positoni. La coincidenza di quasi la stessa profondità di penetrazioni del danno della fatica superficiale e dei positoni ha portato a una sensibilità molto alta della tecnica dei positoni, che, combinata con la diffrazione dei raggi X, ha fornito informazioni, dopo singoli cicli di fatica, relative a una durata di fatica di circa 10⁷ cicli. Si è sviluppato un modello lineare di intrappolamento del positone, fondato su una distribuzione non omogenea di due diversi tipi di trappole, usando ed ampliando i principi del modello di intrappolamento lineare semplice per un solo tipo di trappola. Si sono misurate le vite medie e le relative intensità integrate ad annichilazione dei positoni in paia di campioni di alluminio a monocristalli, in funzione del numero di cicli di fatica durante gli stadi I e II dell’indurimento per fatica, i due cristalli essendo soggetti alla stessa intensità di sforzo dello 0.17%. Si è ottenuta correlazione tra i risultati relativi ai positoni e le corrispondenti macchie delleriflessioni di von Laue. Nei primi stadi della fatica, si sono trovate due caratteristiche vite medie del positone, la prima di (215±15) ps e la seconda che varia durante la fatica da 230 ps a (260±15) ps; si è interpretato che esse originano dall’intrappolamento di positroni su elementi di gioghi di dislocazione o dipoli vuoto/vacanza, rispettivamente.

Резюме

Используя анализ аннигиляции позитронов и дифракции рентгеновских лучей, исследуются поверхностные усталостные явления в монокристалле 99.9999% алюминия. Совпадение почти одинаковой глубины проникновения для поверхностных усталостных повреждений и для позитронов, измеренное при очень высокой чувствительности позитронной техники, которая объединяется с техникой дифракции рентгеновских лучей, дает информацию об отдельных циклах усталости для полного времени 10⁷ циклов. Развивается линейная модель позитронных ловушек, основанная на неоднородном распределении двух различных типов ловушек. При выводе используются и обобщаются принципы простой линейной модели ловушек с одним типом ловушек. Были измерены времена жизни и относительные интегральные интенсивности аннигиляции позитронов на пары в монокристаллических образцах алюминия, как функции числа циклов усталости. Получена корреляция между позитронными результатами и соответствующими пятнами для обратных отражений фон Лауэ. На ранних стадиях усталости были обнаружены два характерных времени жизни позитронов, первое составляет (215±15) пс, а второе изменяется в зависимости от усталости от 230 пс до (260±15) пс. Предполагается, что эти результаты связаны соответственно с захватом позитронов на ступеньках дислокаций и на пустоты/вакансии.