Микромеханизмы пластической деформации в условиях действия высоких локальных напряжений Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

МИКРОМЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ ВЫСОКИХ ЛОКАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

© А.И. Тюрин, А.П. Занина, В.И. Иволгин, Э.А. Бойцов, В.В. Шиндяпин, М.О. Воробьев

НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия, e-mail: [email protected]

Ключевые слова: динамическое наноиндентирование; микромеханизмы пластической деформации; структурные дефекты; энергетические характеристики.

В статье описаны микромеханизмы пластической деформации в условиях высоких локальных напряжений.

Исследование физических процессов, происходящих в материале при действии высоких локальных напряжений, является одной из актуальных задач физики прочности и пластичности. Однако, несмотря на большой объем работ по исследованию материалов методами индентирования, а в последнее время и на-ноиндентирования [1-4], до сих пор дискуссионными остаются вопросы о микромеханизмах пластической деформации различных материалов в условиях действия высоких локальных напряжений. Чаще всего в литературе для различных материалов, рассматриваются и обсуждаются дислокационные микромеханизмы деформирования и гораздо реже механизмы связанные с зарождением и перемещением точечных дефектов, краудионов, малоатомных кластеров, двойников, с фазовыми переходами в материале под индентором. Однако до сих пор практически не рассматриваются вопросы связанные с выявлением номенклатуры структурных дефектов, доминирующих механизмов дефор-

мирования и последовательности их смены или одновременного действия на различных этапах формирования отпечатка.

Поэтому цель работы заключалась в исследовании микромеханизмов пластической деформации в условиях действия высоких локальных напряжений.

Смоделировать условия деформирования материала при действии высоких локальных напряжений, в максимально контролируемых условиях можно методом динамического микро- и наноиндентирования.

Исследование номенклатуры структурных дефектов и доминирующих микромеханизмов пластической деформации в микро- и наношкале производилось методом определения энергетических характеристик процесса деформирования материала при формирования отпечатка (определение энергий подводимой, возвращенной, рассеиваемой в материале, удельной и др.).

В качестве объектов исследования были выбраны монокристаллы ЬіЕ и Бі.

Рис. 1. Фотографии экспериментальных установок: универсальные динамические нанотестеры, разработанные в НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» ТГУ имени Г.Р. Державина: а) на базе оптического микроскопа ИМЦЛ; б) на базе микротвердомера ПМТ-3; в) на базе атомно-силового микроскопа Solver

Рис. 2. Методика проведения эксперимента: зависимость импульса приложенной нагрузки Р и глубины отпечатка к от времени нагружения /, на примере индентирования монокристаллов ЫБ

(а) (б)

Рис. 3. Типичные Р(Ъ) диаграммы исследуемых монокристаллов ЫБ (а) и 81 (б) (при 6 = 0,02 с-1)

Рис. 4. Типичные Р(И) диаграммы при индентировании монокристаллов ЫБ для различных скоростей относительной деформации

(1

102 с-1; 2 - 6 = 10° с-1; 1 - 6 = 10-2 с-1)

h, мкм

6 = 20 с-1, h = 830 мкм (а)

пт

i 00 о

ч

10 10 (1111 цш

6 = 0,1 c-1, h = 830 мкм (б)

h, мкм

6 = 0,02 c-1, h = 830 мкм (в)

Рис. 5. Характерные P(h) диаграммы индентирования монокристаллов Si при различных скоростях относительной деформации S и соответствующие им картины поверхности кремния, сделанные с помощью AFM Solver в области деформирования: а) 6 = 20 с-1 ; б) 6 = 0,1 с-1; в) 6 = 0,02 с-1

(а) (б)

Рис. 6. Зависимость подведенной энергии от глубины пластического отпечатка для исследуемых монокристаллов Ь1Б (а) и 81 (б)

!-<£> = 0,01 с1

h с, мкм

(б)

Рис. 7. Зависимость возвращенной энергии от глубины пластического отпечатка для исследуемых монокристаллов Ь1Б (а) и 81 (б)

1 -<£’>= 100 сМ 2-<е’ >= 1сМ 3 — < £’ > = 0.01 «/'-I

h с, мкм

(б)

Рис. 8. Зависимость поглощенной энергии от глубины пластического отпечатка для исследуемых монокристаллов ЫБ (а) и 81 (б)

К с, мкм

(а)

1 < є >=0,01 с

h с, мкм

(б)

Рис. 9. Зависимость приведенной энергии от глубины пластического отпечатка при динамическом наноиндентировании монокристаллов ЫБ (а) и 81 (б)

Исследования проводились на динамическом ин-дентометре собственной конструкции (рис. 1) алмазной пирамидой Берковича, под действием импульсов силы с варьируемой амплитудой и длительностью (рис. 2). Диапазон размеров зоны деформирования к составлял от 50 до 2000 нм, а скоростей относительной деформации є - от 10-2 до 102 с-1 (рис. 3-5).

Для исследованных материалов установлены количественные значения определяемых энергетических характеристик (подводимой энергии - рис. 6, упругой энергии - рис. 7, энергии рассеиваемой в материале -рис. 8, приведенной энергии - рис. 9 и др.) и установлены их зависимости от глубины отпечатка и скорости относительной деформации.

Показано, что числовые значения энергетических характеристик в исследованном диапазоне є на всех стадиях формирования отпечатка в монокристаллах БІ (И от 50 до 800 нм) и на начальных этапах индентиро-вания ЬіЕ (к от 50 до нескольких сотен нанометров) соответствуют энергии зарождения точечных дефектов. При увеличении размера отпечатка и уменьшении скорости относительной деформации монокристаллов ЬіЕ величина рассеиваемой энергии начинает уменьшаться и становится сопоставимой с велинами энергий

характерными для дислокационных механизмов в этом материале.

Таким образом, в работе разработана методика определения энергетических характеристик процесса деформирования в условиях действия высоких локальных напряжений, исследована кинетика формирования отпечатка (масштабный и скоростной факторы), определены значения энергетических характеристик различных стадий формирования отпечатка и сопоставлены с количественными значениями энергий зарождения и движения структурных дефектов, установлена номенклатура структурных дефектов и определены доминирующие микромеханизмы пластичности ряда материалов (LiF, Si) в условиях высокоскоростной локальной деформации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2008. 496 с.

2. Springer Handbook of Nanotechnology / ed. B. Bhushan. Springer; New York, 2008. 1916 p.

3. Nanotribology and Nanomechanics. An Introduction / ed. B. Bhushan). Springer; Berlin, 2008. 1516 p.

4. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. 324 с.

БЛАГОДАРНОСТИ. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 07-02-00906) и финансовой поддержки программы У.М.Н.И.К.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Tyurin A.I., Zanina A.P., Ivolgin V.I., Boitsov E.A., Shindya-pin V.V., Vorobjev M.O. The micromechanisms of plastic deformation under high local stress conditions. In this article the micromechanisms of plastic deformation under high local stress conditions are described.

Key words: dynamic nanoindentation; micromechanisms of plastic deformation; structural defects; energy characteristics.