CC BY
37
УДК 539.3
УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ НАНОКОНТАКТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ
© А.И. Тюрин, 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: локальная деформация; упруго-пластический переход; динамическое наноиндентирование; микромеханизмы деформации; структурные дефекты.
В статье обсуждаются условия упругопластического перехода при высокоскоростной наноконтактной деформации.
Деформация материала в микро- и нанообъемах при различных видах взаимодействия чрезвычайно широко распространена в природе и в технике. Она возникает во многих практически важных ситуациях, например при сухом трении микрошероховатых тел, абразивном и эрозионном износе, в скользящих электрических контактах, при шлифовке, тонком помоле в различных мельницах и в других процессах [1-3].
При этом поведение динамических микро-, наноконтактов во многом зависит от того, какого типа деформация реализуется при взаимодействии: чисто упругая или упруго-пластическая. Критические нагрузки и напряжения упруго-пластического перехода определяются атомными механизмами зарождения и движения структурных дефектов в материале, а также зависят от размеров контактной области и скорости деформирования [4].
В работе экспериментально исследованы размерноскоростные зависимости упруго-пластического перехода в кристаллических и аморфных материалах, нагружаемых локально трехгранным пирамидальным индентором Берковича с регулируемой линейной ско-
ростью и от единиц до десятков см/с. При этом с высоким временным (до 0,3 мкс) и пространственным (до 1 нм) разрешением контролировали силу Р^) сопротивления внедрения индентора и нормальное перемещение Н(€) индентора. Локальное нагружение пирамидальными инденторами характеризуется ростом характерных размеров Я области сильной деформации и одновременным падением скорости относительной
• 4(0 у(0
деформации е и--------и------. Проводимые оценки
Я(0 И(о
величины е показывают, что на начальной стадии нагружения, когда величина составляет 10-100 нм даже при линейной скорости перемещения индентора и — 1 см/с величина е может достигать значений 106-107 с-1, что сопоставимо со скоростью деформирования при взрыве ВВ на поверхности образца.
По условиям опыта и регулировалась начальной высотой индентора над поверхностью образца и работой электромагнитного привода, ускоряющего шток с индентором перед его столкновением с образцом.
Ь, нм
Рис. 1. Начальные участки типичных Р(И) диаграмм при индентировании монокристаллов ЫР. с различной скоростью перемещения индентора V: 1-4=16 мм/с; 2-у2= 20 мм/с; 3-у3=26 мм/с
О 50 100 150 200 250
II нм
Рис. 2. Зависимость силы P, действующей на материал от глубины внедрения индентора h в сравнении с законом Герца P~h3/2 для ЬіБ
Ввиду относительно большой массы подвижных частей наноиндентометра (т = 100 г) и значительной накопленной энергии (~мДж) скорость индентора в процессе погружения в материал на несколько микрометров практически была неизменна, т. е. реализовывался «жесткий» режим нагружения, при котором устройство задает постоянную скорость линейной деформации.
Кинетика перемещения индентора ^ґ) и величины действующей силы Р(ґ) регистрировались независимыми высокоскоростными каналами регистрации.
Перестроение полученных зависимостей Р(ґ) и ^ґ) позволяет строить типичные Р^)-диаграммы исключая из рассмотрения координату ґ. Полученные результаты для монокристаллов ЫЕ для различных скоростей перемещения индентора на начальной стадии его внедрения в материалал показаны на рис. 1.
Из результатов экспериментов на монокристаллах ЫЕ и плавленом кварце следует, что на начальной стадии погружения (до некоторой критической величины Р = Рс) зависимость Р^) полностью совпадает с зависимостью Р^3/2) (рис. 2). Поскольку любой пирамидальный индентор имеет притупление, которое можно аппроксимировать сферой с эквивалентным радиусом Я, начальная стадия погружения проходила в соответствии с законом Герца Р = -3ЕЯ1/2^/2 , здесь
Er =
Ei
- приведенныи модуль
У
Юнга, Еі - модуль Юнга материала индентора, Ет - модуль Юнга материала образца. Я = 150 нм -радиус притупления индентора, использовавшегося в эксперименте.
Поэтому совпадение начальных участков Р(Н)-диа-грамм с законом Герца (см. рис. 2) свидетельствует об упругом характере деформирования материала на этих участках.
Исследование скоростных зависимостей показывает, что смена упругой деформации на упруго-пластическую (отклонение от закона Герца) наступает тем позже, чем выше и (рис. 2.), что свидетельствует в пользу активационного характера пластического течения. Из зависимости критической нагрузки Pc от s можно извлечь информацию об активационном объеме у. Величина у оказалась порядка атомного объема, из чего следует, что лимитирующей стадией начальной пластичности являются процессы зарождения и перемещения точечных дефектов.
Таким образом, в работе представлена новая методика импульсного наноиндентирования и первые результаты ее применения к выявлению кинетики и механизмов деформирования на начальных этапах динамического наноконтактного взаимодействия.
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., Shindyapin V.V., Vorobjev M.O. Elastic-plastic transition in high-speed nanocontact deformation. The article discusses conditions of elastic-plastic transition in high-speed nanocontact deformation.
Key words: local deformation; elastic-plastic transition; dynamic nanoindentation; micromechanisms of deformation; structural defects.
-1
