Анизотропия в зарождении деформационных двойников при индентировании монокристалла цинка Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

АНИЗОТРОПИЯ В ЗАРОЖДЕНИИ деформационных двойников ПРИ ИНДЕНТИРОВАНИИ МОНОКРИСТАЛЛА ЦИНКА

© В.И. Башмаков, Т.С. Чикова, П.А. Ховатов, Э.Г. Гнядек, С.Л. Гей

Гродненский государственный университет им. Я. Купалы, г. Гродно, Беларусь,

e-mail: t.chikova@grsu.by

Ключевые слова: пластическая деформация; двойникование; микротвердость; цинк.

Статистическими исследованиями выявлено нарушение геометрического подобия отпечатков микротвердости, полученных с помощью 136° пирамидки Виккерса в монокристалле цинка, обусловленное деформационным двой-никованием. Обнаружено аномальное развитие клиновидных двойниковых прослоек вблизи границ кристалла.

Кристаллография скольжения и двойникования в монокристалле цинка подробно изучена и описана в литературе [1, 2], однако механизмы и закономерности зарождения деформационных двойников в условиях предшествующего и сопутствующего скольжения до сих пор не известны. Остаточные деформационные двойники клиновидной формы в цинке легко получить, воздействуя на плоскость спайности монокристалла сосредоточенной нагрузкой, в частности алмазной пирамидкой Виккерса.

В гексагональной решетке цинка механическое двойникование осуществляется в системе {1120}<1011>. Все плоскости и направления двойникования кристаллографически эквивалентны по отношению к концентрированной нагрузке, перпендикулярной плоскости (0001). При условии, что релаксация напряжений, создаваемых индентором, осуществляется преимущественно двойникованием, у отпечатка можно ожидать появления симметричной шестилучевой розетки двойников. Следует, однако, отметить, что квадратная в сечении 136-градусная пирамидка Виккерса и плоскость спайности гексагональной кристаллической решетки не имеют общей оси симметрии и невозможно выбрать ориентацию образца и пирамидки, при которой во всех плоскостях и направлениях двойникования создавались бы одинаковые сдвиговые напряжения. Поэтому предполагалось, что в зарождении и развитии двойников по разным плоскостям двойникования возможна анизотропия, обусловленная взаимной ориентацией образца и индентора. При этом, основываясь на опыте изучения микротвердости металлов, естественно было ожидать, что подобие в распределении деформации у отпечатков, полученных в идентичных условиях, должно сохраняться [3]. Кроме того, предполагалось, что вершины отпечатка пирамидки будут местами преимущественного зарождения деформационных двойников, контролируемых внешней нагрузкой.

Для проверки высказанных выше соображений изучена серия из 260 отпечатков микротвердости, полученных на плоскости спайности монокристального образца цинка размерами 3*4*20 мм при комнатной

температуре с нагрузкой на индентор 0,1 Н при наиболее «неудобной» для симметричного развития двойников ориентировке образца и индентора, когда ребро пирамидки совпадало с линией пересечения одной из плоскостей двойникования с плоскостью спайности.

Рис. 1. Типичные отпечатки алмазной пирамидки с клиновидными деформационными двойниками, полученные при идентичных условиях в центре плоскости (0001) монокри-стального образца цинка (а) (*400) и у границы кристалла (б) (*400)

Эксперименты проводились с использованием автоматического микротвердомера ИМММТ-Х7. Скорость опускания пирамидки составляла 50 мкм/с, выдержка образца под нагрузкой - 10 с.

Анализ характера искажений формы отпечатков и расположения клиновидных двойников у их границ выявил следующее.

Форма отпечатков, полученных в строго идентичных условиях, не имеет форму квадрата, и характер искажений границ однозначно связан с деформационными двойниками (рис. 1). Механические двойники либо искажают противоположные стороны отпечатка (рис. 1, а), либо приводят к заметному различию в величине его диагоналей (рис. 1, б). Видно, что при наличии двойников говорить о геометрическом подобии отпечатков микротвердости можно лишь условно.

У всей совокупности отпечатков достаточно полно представлены механические двойники всех плоскостей двойникования, однако у каждого из отдельных отпечатков возникают двойники преимущественно одной из трех возможных ориентаций (рис. 1, а).

Сравнительное изучение двойниковых прослоек, возникающих у сторон и вершин отпечатков, показывает их существенное отличие. Механические двойники, искажающие стороны, не всегда зарождаются на границах отпечатка и имеют клиновидную форму. В этих областях могут возникать двойники в виде тонких линз с максимальной толщиной на середине длины и не имеющих контакта с отпечатком. Способность двойников искажать стороны отпечатка не зависит от их геометрии.

Геометрия отпечатков и связанных с ними клиновидных двойников определяются местом их расположения относительно границы образца (рис. 1). Во-первых, существенно отличается характер искажения

границ отпечатков и изменения размеров их диагоналей в центре образца и у его границы. Во-вторых, в кристаллографии двойникования у границы образца определяющим становится направление, параллельное границе кристалла. При этом сдвойникованная площадь, полученная при идентичных условиях, у границы в несколько раз больше, чем в глубине образца.

Установленные закономерности характеризуют различные проявления анизотропии в зарождении деформационного двойникования при микроиндентиро-вании монокристаллов цинка. Во всех случаях двойни-кование приводит к изменению площади отпечатка и ставит вопрос о корректности определения микротвердости двойникующихся металлов и сплавов по общепринятой методике [3].

ЛИТЕРАТУРА

1. Физическое материаловедение: Т. 1. Физика твердого тела / под общ. ред. Б. А. Калина. М.: МИФИ, 2007. 636 с.

2. Федоров В.А., Тялин Ю.И., Тялина В.А. Дислокационные механизмы разрушения двойникующихся материалов. М.: Изд-во Маши-ностроние-1, 2004. 336 с.

3. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука, 1976. 230 с.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Bashmakov V.I., Chikova T.C., Khovatov P.A., Gniadek E.G., Hei S.L. Anisotropy in origin of deformation twins at indentation of zinc monocrystal. Statistical researches reveal infraction of geometrical similarity of microhardness indentation received by Vickers indenter in a monocrystal of zinc, caused deformation twinning. Abnormal development wedge-shaped twins layers near to crystal borders is revealed.

Key words: plastic deformation; twinning; microhardness; zinc.