Transition from plasticity to brittleness in the micromechanics of impact damage of ZnS and ZnSe ceramics

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Временные серии импульсов акустической эмиссии (АЭ) возбуждались падением груза на образцы пластично-хрупких керамик ZnS и ZnSe. Активность АЭ регистрировали в двух частотных “окнах” 100–200 кГц и 400–800 кГц. В обеих керамиках эмиссия в низкочастотном диапазоне возникала с момента действия нагрузки; высокочастотный сигнал появлялся с временной задержкой 100–150 мкс. Статистический анализ серий импульсов обнаружил качественное различие эмиссий в указанных частотных зонах. Распределение энергий эмитированных импульсов в области 100–200 кГц следовало случайной зависимости пуассоновского типа, тогда как серии АЭ в диапазоне 400–800 кГц показали коррелированное накопление микроповреждений. Активность в низкочастотной области появлялась на начальной стадии разрушения (пластическом течении) и отнесена скольжению дислокаций. При достижении предельной деформации возникало хрупкое накопление взаимодействующих микротрещин. Описанная процедура анализа процесса развития повреждения при ударной нагрузке позволяет определить точку перехода от беспорядочной деградации структуры пластично-хрупких материалов к кооперативному, хрупкому разрушению.

About the authors

I. P. Shcherbakov

Ioffe Institute

Email: chmel@mail.ioffe.ru
194021, Russia, Saint Petersburg, Polytechnic Street, 26

A. A. Dunaev

State Optical Institute named after S. I. Vavilov

Email: chmel@mail.ioffe.ru
172171, Russia, Saint Petersburg, Babushkin Street, 36

A. E. Chmel

Ioffe Institute

Author for correspondence.
Email: chmel@mail.ioffe.ru
194021, Russia, Saint Petersburg, Polytechnic Street, 26

References

  1. Johnson R., Biswas P., Ramavath P., Mahajan Y.R. Zinc Sulfide Ceramics for Infrared Optics. In: Mahajan Y., Roy J. (eds). Handbook of Advanced Ceramics and Composites. Springer. 2019. P. 533–567.
  2. Гаврищук Е.М., Яшина Э.В. Оптические элементы из сульфида цинка и селенида цинка для инфракрасной техники // Оптический журнал. 2004. Т. 71. С. 24–26. [Gavrishchuk E.M. Yashina É.V. Zinc sulfide and zinc selenide optical elements for IR engineering // J. Opt. Technol. 2004. V. 71. № 12. P. 822–825.]
  3. Leem J.W., Jun D.-H., Heo J., Park W.-K., Park J.-H., Cho W.J., Kim D.E., Yu J.S. Single-material zinc sulfide bi-layer antireflection coatings for GaAs solar cells // Opt. Express. 2013. V. 21, P. A821–A828.
  4. Khurram A.A., Imran M., Khan N.A., Mehmood M.N. ZnSe/ITO thin films: candidate for CdTe solar cell window layer // J. Semicond. 2017. V. 38. P. 093001.
  5. Ortega-Cardenas J.A., Albor-Aguilera M.L., Hernandez-Vasquez C., Flores-Marquez J.M., Rueda-Morales G., Rangel-Kuoppa V.-T., González-Trujillo M.Á, Yee-Madeira H. Impact of different thermal treatments on ZnS physical properties and their performance in CdTe solar cells // Mater. Res. Express. 2019. V. 6, P. 086461.
  6. Ummartyotin S., Infahsaeng Y.A. Comprehensive review on ZnS: From synthesis to an approach on solar cell, Renew. Sustain. Energy Rev. 2016. V. 55. P. 17–24.
  7. Jilbert G.H., Field J.E. Synergistic effects of rain and sand erosion // Wear. 2000. V. 243. P. 6–17.
  8. Townsend D., Field J.E. Fracture toughness and hardness of zinc sulphide as a function of grain size // J. Mater. Sci. 1990. V. 25. P. 1347–1352.
  9. Harris D.C. Materials for Infrared Windows and Domes: Properties and Performance SPIE UK V.PT-70 1999. P. 415.
  10. Chang C.S., He J.L., Lin Z.P. The grain size effect on the empirically determined erosion resistance of CVD-ZnS // Wear. 2003. V. 255. P. 115–120.
  11. McCloy J.S., Tustison R.W. Chemical vapor deposited zinc sulfide // Proc. of SPIE. 2013. V. 8708, P. 87080N.
  12. Li X., Chen F.-R., Lu Y. Ductile inorganic semiconductors for deformable electronics // Interd. Mater. 2024. V. 3. P. 835–884.
  13. Islam A.S.M.J., Hasan M.S., Islam M.S., Bhuiyan A.G., Stampf C.l, Park J. Crystal orientation-dependent tensile mechanical behavior and deformation mechanisms of ZnSe nanowires // Sci Rep. 2023. V. 13, Article number 3532.
  14. Бредихин С.И., Шмурак С.З. Взаимодействие заряженных дислокаций с центрами люминесценции в кристаллах // Журнал экспериментальной и технической физики. 1979, Т. 76. С. 1028–1037. [Bredikhin S.I., Shmurak S.Z. Interaction of charge dislocations with luminescence centers in ZnS crystals // Sov. Phys. JETP 1979. V. 49. P. 520–527.]
  15. Chmel A., Dunaev A., Shcherbakov I. Electromagnetic emission from impact-loaded polycrystalline materials // Cryst. Res. Technol. 2018. V. 53. P. 1800112.
  16. Zang A., Wagner F.C., Stanchits S., Dresen G., Andresen R., Haidekker M.A. Source analysis of acoustic emission in Aue granite cores under symmetric and asymmetric compressive loads // Geo. J. Intern. 1998. V. 135. P. 1113–1130.
  17. Yao T., Yang X., Kang J., Guo Y., Cheng B., Qin Y., Wang Y., Xie Q., Du G. Ductile–brittle transition and ductile-regime removal mechanisms in micro- and nanoscale machining of ZnS crystals // Infrared Phys. Technol. 2024. V. 138. P. 105096.
  18. Liu C., Xu C., Liu H. Plastic deformation mechanisms of ZnS and ZnTe under nanoindentation: molecular dynamics simulations // J. Mol. Model. 2025. V. 21. P. 1–13
  19. Aggelis D.G. Classification of cracking mode in concrete by acoustic emission parameters // Mech. Res. Commun. 2013. V. 38, № 3. P. 153–157.
  20. Colombo I.S., Main I.G., Forde M.C. Assessing damage of reinforced concrete beam using b-value analysis of acoustic emission signals // J. Mater. Civil Eng. 2003. V. 15. P. 7.
  21. Antonaci P., Bocca P., Masera D. Fatigue crack propagation monitoring by acoustic emission signal analysis // Eng. Fract. Mech. 2012. V. 81. P. 26–32.
  22. Aue J., Hosson J.T.M.D. A study of the mechanical properties of highly porous ceramics using acoustic emission // J. Mat. Sci. 1998. V. 33. P. 5455–5462.
  23. Ojard G., Mordasky M., Kumar R. Acoustic emission monitoring of damage in ceramic matrix composites: Effects of weaves and feature // AIP Conf. 2018 Proc. 1949. P. 230028.
  24. Polyzos B., Trochidis A. Dislocation dynamics and acoustic emission during plastic deformation of crystals // Wave Motion 1995. V. 21. P. 343–355.
  25. Rozanov A., Petrov D., Gladyr A., Korchak P. Acoustic Emission Analysis of Brittle and Ductile Behavior of Rocks at Critical Stresses // 82nd Eage Conference and Exhibition, Amsterdam. 2021. V. 4. P. 2497.
  26. Девятых Г.Г., Гаврищук Е.М., Мазавин С.М. Способ получения поликристаллического селенида цинка // Патент № 2253705 С1 от 10.06.2005.
  27. Девятых Г.Г., Гаврищук Е.М., Иконников В.Б., Яшина Э.В., Дианов Е.М. Способ получения поликристаллического сульфида цинка // Патент № 2221906 С1 от 20.01.2004.
  28. Bowman D.D., Ouillon G., Sammis C.G., Sornette A., Sornette D. An observational test of the critical earthquake concept // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. P. 24359–24372.
  29. Spasova L.M., Ojovan M.I. Acoustic emission detection of microcrack formation and development in cementitious waste forms with immobilized Al // J. Hazard. Mater. 2006. V. 138. P. 423–432.
  30. Xu J., Fu Zh., Han Q., Lacidogna G., Carpinteri A. Micro-cracking monitoring and fracture evaluation for crumb rubber concrete based on acoustic emission techniques // Struct. Health Monit. 2017. V. 17. № 7. P. 946–958.
  31. Boyarskaya Y.S., Zhitaru R.P., Linte M.A. Correlation between different parameters of plastic deformation in doped NaCl crystals // Cryst. Sci. Technol. 1984. V. 19. P. 101.
  32. Малыгин Г.А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов // УФН 1999. Т. 169. С. 979–1010. [Malygin GA. Dislocation self-organization processes and crystal plasticity // Phys-Uspekhi. 1999: V. 42. P. 887–916].
  33. Chmel A., Dunaev A., Sinani A., Shcherbakov I. Impact and indenting damage of CVD-produced ZnS and ZnSe ceramics // Mater. Res. Express. 2020. V. 7. P. 015922.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).