CC BY
27
Рис. 5. Доля объема Г,/(01„. вытесненного на I тгане формирования отпечатка в кристаллах ЫР в зависимости от средней
•
скорое I и относительной деформации <£>. V, - объем пластического отпечатка, сформированного на 1 этапе. I '0Тп -об!,см полного отпечатка
ван и и отпечатка глубиной - 1000 нм величина объема материала, вытесненного на I этапе, V|. составляет от 5 до 25 % в зависимости от типа исследуемого материала •
и величины £„ а на II этапе - Ги - соответственно 75-95 %. Для 1лН Г| изменяется от 16 до 27 %, а Vп соответственно от 73 до 84 %(рис. 5).
Таким образом, в данной работе исследована кинетика формирования отпечатка в достаточно широком •
интервале 8 (от 10”’ до 104 с '). Выявлены отдельные этапы в процессе формирования отпечатка при нано-инденгировании. Определены числовые значения величины динамической твердости Нф активационного объема у. коэффициента скоростной чувствительности твердости а и доли объема материала сформированного на каждом этапе формирования отпечатка при раз-•
личных значениях <Е> (от 10'" до 102). Показано, что зависимости у = /(кс) и а = /(/г,) коррелируют между
собой. I la основании полученных данных процесс формирования пластического отпечатка можно рассматривать как поэтапную смену доминирующих микромеханизмов пластичности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Spearing ЯМ. //Acta Mater. 2000 V 48. P. 179-1%
2. Spearing S.M //Acta Mater. 2000. V 48. P. 179-196
3. I’oole Ch., Owens !■'. Introduction of Nanotechnology. John Wiley & Sons, Inc. Indianapolis. 2003. 400 p.
4. Hmmg (¡.. Ruhrcr H. i! Reviews of Modem Physics. 1999. V 71. № 2 P. 324-330.
5. Marsh (;. // Materials Today. 2003 February P. 38-43.
6. Hhushan H. Kuinkar V.N. // Appl Pliys Lett. 1994 T 64. №13.
C. 1653-1655.
7 Нес S.. Tonck A., (ieorgcs J.-M., (icorges I.ouhcl// Phil. Mag. A. 1996. T. 74. №5. C.1061-1072.
8. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М : Машиностроение. 2ШЗ. И 2 с.
9. ]'ол<тш Ю.И., Иаолгин НИ. Коражос ВВ., Тюрин А.!}. /. ЖТФ 2000 Т. 70. Вьш. 5. С. 82-91.
10. (iolovin Yu.l., Tvunn A.I. ami I'arhcr B.Yu. Hi. of Materials Science 2002. V. 37. P. 895*904
11. Oliver W.C.. Pharr G.M. // J. Mater. Research 1992. V. 7. № 6. P. 1564-1583.
12. Oliver W.C., rharrd.M. // J. Mater. Research. 2004. V. 19. № I. P. 3-20.
13. Aiexun В.П., !>иыче« СИ //ДАН СССР. 1978 T 238. №6. С. 1328-1331.
14. Ноярская Ю.С.. I'робко Л3 , Кац М.С. Физика процессов микро-иидентирования. Кишинев; Штииица, 1986. 295 с.
15 Пу.шчсв С.И, Алехин В.И Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. 225 с.
16. Голыши Ю.И, Тюрин А.И. // Письма в Ж\)ТФ 1994 T 60. №3 С. 722-726.
17. Головин Ю.И.. Тюрин А.И. И Материаловедение 2001. №1. С. 14-21, №2. С. 10-27.
18. (Iolovin Yu.l., ТуиПп A.I., larhcr H Ya U Phil. Mag. A 2002. V 82. № 10. P. 1857-1864.
ЬЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-02-17198 и 06-08-01433).
Поступила в редакцию 20 октября 2006 г.
ДИНАМИКА И МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ МИКРО- И НАНОКОНТАКТНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
© А.И. Тюрин
Tyurin Л.1. Dynamics and mechanisms of plastic deformation at micro- and nanocontact interaction of solids.
Взаимодействие твердых тел (механическое, меха-нохимическое. гальваническое и др.) при их контакте происходит первоначально в небольшом числе точек, воспринимающих всю нагрузку (рис. 1а). Это приводит к тому, что в областях с субмикронными характерными размерами развиваются гигантские напряжения, близкие к теоретическому пределу прочности, а относительные деформации материала' составляют десятки процентов даже для хрупких материалов (например, таких как карбиды или бориды тугоплавких металлов).
Из-за сильной локализации области деформирования (Л < 1 мкм), скорость относительной деформации є = ¿/є/й// = сІИ/Я ■ Ж = у! И (даже при невысоких скоростях абсолютного перемещения V < 1 м/с) может достигать значений 106 с“1, характерных для деформации детонирующим взрывчатым веществом (рис. 2). Подобные условия не являются уникальными, а реализуются во многих случаях контактного взаимодействия: при сухом трении одного тела по поверхности другого: при механическом и механо-химичееком
шлифовании и полировании, а также абразивном износе (например, при движении ленты мимо магнитных головок в магнитофоне): мри накоплении повреждений в результате соударения пылинок с поверхностью движущихся транспортных средств (в том числе и космических): при гонком помоле в различных мельницах и в активаторах механохимических реакций; в контактных модах зондовой атомно-силовой микроскопии и модификации поверхности: в вершине быстро растущей квазихрупкой трещины; при высокоплотной механической записи информации на носитель атомарно острыми иголками и во многих других ситуациях (рис. I). Служебные свойства материала или изделия (долговечность, химическую и каталитическую активность поверхности. ее эмиссионную способность и др.) определяют при 71'ОМ атомарные процессы, происходящие в тонких приповерхностных сдоях. До последнего времени >[ и процессы изучались, главным образом, фено-
менологически на макроуровне путем усреднения характеристик на всю кажущуюся поверхность контакта. Поэтому все подобные проблемы находились в ведении инженеров-механиков, технологов, электриков.
С начала 90-х годов прошлого века к изучению контактных взаимодействий стали привлекать современные физические методы, обладающие манометровым разрешением (сканирующая туннельная и атомносиловая микроскопия, наноиндентирование и др.) [I. 2]. Впервые со времен Амонтона, создателя первого учения о трении, появилась возможность перейти от усредненных по поверхности характеристик трения, износа, электрического сопротивления и т. п. к исследованию явлений на уровне отдельных элементарных событий в одном микро- (или нано-) контакте и заполнить брешь между макроскопическим и атомарным описанием этих сложных явлений.
V
V.
тттттттттттптп
а)
б)
птттттттштптттгп
г)
Д) е)
Рис. I. Примеры ситуаций, в которых реализуется ианоконтактное взаимодействие: а) сухое трение, износ; б) эррозионный износ; в) локальная приповерхностная усталость, фреттинг; г) тонкий помол, механохиминеский синтез в шаровой мельнице; д) модификация поверхности атом но острыми и ¡ламп; е) контакт двух фуллереновых нанотрубок. V -- линейная скорость, о) - угловая скорость. Тонкая штриховка обозначает области высокой локальной деформации
Потребности нанотехнологии, наноматериаловедении. миниатюризации элементной базы микроэлектроники и оптотроники. создание интегрированных мик-роэлектромеханичееких систем. интеллектуальных микророботов и т. и. резко активизировали работы в этом направлении в последние годы. В частности, технологии исследования и модификации приповерхностных слоев, использующие атомно острые иголки, локализуют воздействие в объемах с нанометровыми размерами и должны учитывать большую разницу в механических и других свойствах материала при переходе от макро- к наномасштабам объекта.
Мы не оудем обсуждать здесь хорошо развитые «неразрушающие» методы сканирующей зондовой микроскопии (хотя, в какой мере они являются не повреждающими поверхность, всегда остается под вопросом). а сосредоточимся на методах, основанных на прецизионном контролируемом локальном силовом воздействии на исследуемую поверхность (рис. 2). Они позволяют приблизиться к условиям, возникающим в реальных микро- и наноконтактах, и смоделировать в хорошо контролируемых условиях элементарные процессы в областях, сильно сформированных высокой локальной нагрузкой.
По направлению движения инструмента (чаще всего - это хорошо аттестованная трехграниая алмазная пирамидка Берковича) по отношению к плоскости образца их подразделяют на наноиндентирование (инден-тор движется по нормали к поверхности) и наносклерометрию ( индент ор движется по касательной к поверхности). Сущность этих методов состоит в программируемом приложении малых или ультрамалых усилий к индентору и непрерывной регистрации зависимости силы сопротивления Р от смещения (глубины погружения h или тангенциального перемещения X). Типичные записи диаграмм для обоих случаев показаны па рис. 3.
Коммерческие нанотестеры таких известных фирм как M IS. Hysitron, Micro Photonics и другие имеют паспортное разрешение в канале измерения силы около 1 нН. а по перемещению - лучше, чем 1 нм. Многие принципиальные и конструктивные решения в нанотестерах близки к используемым в зондовой сканирующей микроскопии, и ряд фирм объединяют оба типа испытания в одном комбинированном приборе. Это позволяет не только визуализировать микротопографию поверхности, но и исследовать более десятка механических характеристик материала в приповерхностных слоях, покрытиях, пленках толщиной от единиц нм до нескольких мкм. т. е. перейт и от двумерных к трехмерным исследованиям материала. В частности, обработка Р h диаграмм, полученных при ианоиндентиро-вании, дает возможность:
1. Определять сопротивление упруго-пластическому локальному деформированию в наноконтакте и осуществлять верификацию имеющихся теорий микро- и напо- контактного взаимодействия.
2. Определять число твердости H = Р/S при упругопластическом контакте (здесь Р - усилие внедрения. S - площадь отпечатка, связанная с его глубиной h через геометрию вершины индентора).
3. Измерять поглощенную в контактном взаимодействии энергию.
4. Устанавливать упругопластические характеристики материалов, не поддающихся пластическому деформированию в макрооиытах вследствие опережающею квазихрупкого разрушения (керамики, минеральные и металлические стекла, карбиды, нитриды, бориды металлов и т. д.).
5. Определять характеристики подвижности изолированных дислокаций и их скоплений в кристаллических материалах.
6. Определять коэффициент вязкости разрушения К]с но размерам трещин вокруг отпечатка и величине силы вдавливания.
7. Моделировать процессы износа и усталости в приповерхностных слоях путем многократного нагружения одной и той же области или нанесения нано царапин.
8. Оценивать пористость материала.
9. Исследовать структуру многофазных материалов.
10. Изучать фазовые переходы, индуцированные высоким гидростатическим давлением под индентором.
11. Определять модули упругости, скорость звука и анизотропию механических свойств.
12. Определять толщину, степень адгезии и механические свойства тонких слоев и покрытий.
13. Исследовать время - зависимые характеристики материала и коэффициенты скоростной чувствительности механических свойств как на стадии погружения, так и на стадии вязкоупругого восстановления отпечатка после разгрузки.
14. Оценивать величину и распределение внутренних напряжений.
Благодаря удобству, гибкости, отсутствию жестких требований к образцу и окружающей среде методы наноиндентировапия приобрели большую популярность в последние несколько лет [3-10]. Приведем несколько характерных примеров конкретного использования нанотестеров для исследования свойств твердых тел в тонких приповерхност ных слоях. Во многих работах исследовали и анализировали причины масштабного эффекта (indentation size effect) - роста твердости при низких и сверхнизких усилиях внедрения (микро- Ньютоны), влекущих образование отпечатков папометровой глубины. При нагрузках ниже некоторых критических (которые зависят от природы материала. температуры, формы индентора и т. д.) практически все материалы начинают демонстрировать чисто упругое поведение в контакте. Типичные значения критической глубины составляют обычно несколько единиц или десятков нм. По начальному наклону кривой «усилие - глубина» на стадии разгрузки можно определить пористость и модуль Юнга в области с размерами меньше мкм. Большое число работ посвящено исследованиям методами наноиндентометрии свойств тонких пленок, покрытий, эпитаксиальных слоев на поверхности твердых тел. Кроме собственно нанотвсрдости обычно определяют степень адгезии, модуль Юнга, плотность, однородность и т. п. Рекордными к настоящему времени, но-видимому, являются измерения, проведенные на пленках толщиной в единицы нм.
Mero дам и измерения электросопротивления и мик-ро-Рамановской спектроскопии обнаружили и in situ исследовали фазовые переходы в GaAs. Ge. Si. SiC. кварце, алмазе, и др., индуцированные высоким давле-
нисм в зоне деформации под индснтором. Так, например, в кремнии наблюдается до 5 фаз высокого давления и аморфизапия исходной монокристаллической структуры.
Влияние скорости деформирования на механические свойства различных материалов при индентирова-нии исследовалось в весьма широком диапазоне относительных скоростей деформаций (10 4-10: с '). Определены коэффициенты скоростной чувствительности твердости, предела текучести, степени упрочнения и т. д. Однако эти исследования пока ограничены сверху
скоростями, недостаточными для моделирования мик-ро- и наноконтактного взаимодействия во многих важных случаях. Да и физические процессы, происходящие в реальных нанокоптактах и даже в хорошо контролируемых условиях наноиндентирования в зоне локальной деформации, во многом остаются малоизученными. В частности, не ясно, до какого масштаба объекта сохраняются механические свойства материала (т. е. до каких пор можно опираться на данные, полученные в макроопытах), какова структура материала под индснтором и куда девается материал из-под него в
детонация ВВ ' на поверхности]
Характерный размер R.m
Рис. 2. Связь относительной скорости деформации 8 с характерными размерами объектов для некоторых процессов
гшшгшшшш
P(t) \ л
h(t) I т +1 1 1 1 I 1 i * t ■“ ^ i
а)
б)
Рис. 3. Принципиальная схема нанотестирования поверхности (а) и временные зависимости усилия Р и глубины гюгружепия А при внедрении индентора но нормали к поверхности (б)
случае отсутствия «навалов» вокруг отпечатка? Какова роль возможных фазовых переходов, индуцируемых высокими давлениями и сдвиговыми напряжениями, в формировании локальных механических свойств? Большинство вопросов сводятся к одному, принципиально важному: каковы атомные механизмы пластической деформации в локально сформированной зоне и зависят ли они от сс размеров и скорости деформации?
С первых шагов исследования твердости различных материалов предполагалось, что ее величина Н должна быть определенным образом связана с пределом текучести ст,. при одноосном растяжении/сжатии. Гак. было установлено, что для большинства металлов и сплавов // = Апу, где А - 3. Поскольку величина о,, в металлах определяется, главным образом, процессами размножения дислокаций, твердость также стали связывать с поведением дислокационных ансамблей. Впоследствии it и представления были молчаливо распространены (заметим, без достаточных на то оснований) и на другие материалы и ситуации. Учитывая широкий спектр современных материалов, исследуемых в настоящее время методами наноиндентирования. случаи, когда А 71 const ~ 3, следует считать скорее исключением, чем правилом. Например, в ионных кристаллах зачастую вовсе отсутствует однозначная связь между Н и ст,.. Различные способы их упрочнения (предварительное деформирование, понижение температуры испытания, легирование, облучение), дающие одинаковый прирост' о, . оказывают совершенно разное влияние на Н, и одним и тем же значениям // могут отвечать сильно отличающиеся величины о,., а при неизменном значении ст,, могут наблюдаться изменения Н более, чем на порядок величины. При ЭТОМ отношение /-//ст,- может достигать > 102. Вес это наглядно демонстрирует отсутствие простой и однозначной связи между Я и а, в общем случае и указывает на различную природу этих характеристик материала.
В более жестких кристаллах (Ge, Si, А12О3), карбидах, боридах. нитридах, многокомпонентных керамиках дислокации если и появляются вокруг отпечатка, то .их так мало, что они заведомо не могут вносить существенного вклада в формирование твердости. В [11, 12] приводятся оценки возможной роли дислокаций в поглощение энергии W (а следовательно, и формирование //, поскольку // ~ И'') при локальном нагружении моно-кристаллического Ge и циркониевой керамики. По оценке сверху даже при повышенных температурах (до 400 °С для Ge и 800 °С для Хг02) вклад дислокаций не превышает единиц процен тов.
Следует отметить, что картина локальной деформации может значительно осложниться за счет развития различною рода неустойчивостей и самоорганизации отдельных событий. 11ри погружении индентора нормально к поверхности ее природа может быть обусловлена взрывообразным размножением дислокаций, деформационным старением и закреплением дислокаций диффундирующими точечными дефектами, фазовыми переходами, индуцированными высокими давлениями, зарождением микрогрещин и т. д. При боковом движении индентора явления неустойчивости могут приобрести еще более разнообразный характер. Ясно, что на фундаментальном уровне взаимодействия атомарно гладких поверхностей должен проявляться эффект неравномерности движения с периодичностью решетки
{что реально и наблюдаегся в латеральной контактной моде атомно-силовой микроскопии). При взаимодействии шероховатых поверхностей макроскопически плавное скольжение, как правило, состоит в действительности из чередующихся отдельных актов прилипания — скачкообразною отрыва (stick-slip effect) (Вспомните простейший опыт - генерацию звука при движении пальца по сухому стеклу). В результате возникает необходимость включить в рассмотрение и адгезионные явления, и процессы образования разрывающихся «мосгиков» в микроконтактах.
Известны попытки исследовать динамику внедрения индентора. скачки и нестабильность деформации in situ посредством стандартных наночестеро в с непрерывной записью глубины отпечатка во времени. Однако недостаточное временное разрешение (~0_I с) ограничивало сверху доступный для исследования диапазон 8 величиной ~10 1 с 1 и не позволило регистрировать динамический отклик материала на самой интересной, начальной стадии погружения.
В лаборатории наноиндентирования Тамбовского государственного университета разработан ряд оригинальных методик и гамма динамических наноинденто-метров, обладающих не только высоким пространственным. но и временным разрешением (в некоторых моделях - до 1 мкс). что дает возможность исследовать скоростные зависимости свойств материалов в субмикрообластях при 8 до 104—105 с-1 [13-19].
Упоминавшаяся выше неправомерность рассмотрения a priori процесса индентировапия как автомодельного и от начала до конца самоподобног о диктует необходимость специального изучения начальных стадий погружения с адекватным пространственно-временным разрешением. Как известно, наиболее полно и просто динамические свойства системы могут быть исследованы путем анализа её отклика на скачкообразное возмущение. В одном из разработанных методов этот подход реализован посредством скачкообразного приложения постоянной испытательной нагрузки к инденто-ру и непрерывной регистрации кинетики ею погружения в материал (рис. 5).
В другой модификации этот подход позволяет прямым образом измерять врсмя-зависимые диссипативные свойства материала при микрокот актном взаимодействии. Метод основан на анализе соотношения энергии, сообщаемой приводом внедряющемуся ин-дентору, и энерг ии отскока штока с индентором при прекращении действия импульса нагрузки в функции продолжительности контакта. Разница между сообщаемой энергией и энергией отскока составляет энергию, поглощаемую в процессе формирования отпечатка и деформированной зоны около него. Разработанные нанотестеры позволяют также вариировать в широких пределах длительность нагружения треугольными импульсами нагрузки (от 1 мс до 1000 с), осуществлять нагружение с постоянной скоростью относительной деформации 8, проводить микроконтактные усталостные испытания (путем многократно повторяющегося нагружения одной и той же области образца) и т. д. Сочетание перечисленных выше методик позволяет в совокупности исследовать комплекс динамических свойств, недоступный квазист этическим методам.
При испытаниях прямоугольным импульсом силы на кинетических кривых погружения индентора в по-
лулогарифмических координатах ^(8) = /(/) (рис. 6) отчетливо различимы несколько участков с разным наклоном, которые можно отождествить с отдельными стадиями в процессе формирования отпечатка. Близкий к линейному закон спадания во времени Б на каждом из выявленных участков отражает экспоненциальный характер релаксации. Различие в показателе экспонен-
ты на разных стадиях достигало четырех порядков величины, а в предэкспоненте - более ПЯТИ порядит величин. Ясно, что в условиях практически постоянной приложенной нагрузки и контактных напряжений такое поведение ё (0 является следствием смены механизмов массопереноса в зоне контакта.
04
еЗ
Е
иа
О-
О
н
р"'
/КЛ\
Смещение вдоль поверхности образца
X
а)
б)
Рис. 4. Типичные диаграммы «сила - перемещение» при наноиндентировании (а) и нажхжрабировании (б). Р1, низкие, умеренные и высокие значения силы прижима наконечника к поверхности соответственно
р..
Рт -
Рис. 5. Схема, иллюстрирующая метод исследования динамического отклика ир и поверхностных слоев материала на кратковременно приложенное постоянное локальное усилие Р. 1 - сила Р(1). 2 ~ глубина лофужения />(/) т - длительность прямоугольного импульса нагрузки
Активационный объем, у. Iw
Си л а внедрения P(t), отн.единицы р „
СГ7>
относительные единицы
Рис. 6. Зависимости скорости относительной деформации £ и активационного объема у от продолжительное™ контакта для некоторых материалов
Скорость относительноЙ деформации в, С'1
о
-1^
о
о
о
4*.
о
о
о
Активационный объем у
|А->0 3
10 м
с
Ё
<и
-В-
I
о,
«
Сч
О
п
Рис. 8. Роль точечных дефектов и дислокаций в массопсреносе при наноиндентировании для различных материалов
Силовая зависимость скорости погружения в координатах =.Дст) имеет участки, близкие к линейным, что позволяет путем экстраполяции на ст0 = 0 определить эффективные значения начальной скорости деформации с0 на каждой стадии при различных температурах Т. Зависимость 1§ё0= Д1/7) в некотором диа-
lOJWnV I VJVl I I v y
miwivi ДЛЛ pO->nr
также была линейной. Все это дает право говорить о термоактивационном режиме деформации, протекающей в соответствии с уравнением ё = 80 ехр(£/ - уа). (здесь 1! - энтальпия активации, а - среднее напряжение в контакте, у - активационный объем). Активационные объемы, полученные из наклонов зависимостей ^8 = /(а), имеют на начальных стадиях погружения очень низкие значения -10 м’ для всех исследованных материалов (рис. 6). что прямо свидетельствует о деформации за счет движения отдельных атомов. Опыты по влиянию всестороннего внешнего давления на скорость диффузии дают также значения у около 0,6 -ь 0.7 от величины атомного объема. Разумеется, существуют и дислокационные механизмы пластичности, характеризующиеся малыми значениями у (например, переползание). однако они слишком «медленные» для того, чтобы обеспечить величину в > 10* с“1, реализующуюся на начальных стадиях внедрения.
По мере углубления индентора и перехода ко второй и последующим стадиям, когда динамическое значение Н начинает приближаться к статическому (/ > 10-12 мс)„ у в ионных кристаллах увеличивалось до значений 10 28 м3 (см. рис. 6). Это свидетельствует о преимущественно дислокационном механизме течения материала под индентором на поздних стадиях внедрения. В кристаллах Се. и аморфных сплавах Со^Ге^В^ величина у и на заключительной стадии была менее 10 атомных объемов. Существует также много других свидетельств существенной роли точечных дефектов при локальном деформировании, полу-
ченных независимыми (правда, часто качественными) методами [20. 21]. В ионных кристаллах переход от первой стадии погружения индентора ко второй наряду с быстрым увеличением у сопровождался сильным ростом U и плотности поглощаемой энергии. Схематическое изображение смены доминирующих механизмов деформации при формировании отпечатка Представлена МП "7
I1W I1U КП1,. / .
В совокупности данные о величине у и приросте i дубины отпечатка Ah, на каждой /-ой стадии позволяют установить вклад различных микромеханизмов мас-сопереноса на каждой из выявленных стадий и оценить долю объема Д17Г0. вытесненного при формировании отпечатка, посредством того или иного микромеханизма пластической деформации (Г0 - установившееся значение объема отпечатка). Как следует из рис. 8. даже при длительности контакта т > I с значительную часть пласт ической деформации во вссх исследованных материалах обеспечивают моно- или малоатомные микромеханизмы массонереноса. При т < 10 мс доля дислокационных механизмов массонереноса под индентором сильно понижается и вряд ли превышает 50 % даже в мягких кристаллах. Па тех стадиях внедрения, когда точечные дефекты дают превалирующий вклад в пластическую деформацию, максимальная динамиче-
и max
ская твердость Нd может м1101 ократно превышать
статическую Hs.
Из приведенных данных вытекает, что с уменьшением продолжительности контактного взаимодействия и размеров отпечатка роль и вклад точечных дефектов возрастают, а дислокаций - падает. Поэтому анализ микроконтактной пластичности, возникающей во многих практически важных ситуациях, должен в большей степени опираться на представления о модах пластичности с участием точечных дефектов, нежели дислокаций. Завершая обсуждение динамики наноконтактов, заметим, что поднятые проблемы до некоторой степени схожи с теми, которые возникли в космологии при анализе динамики расширяющейся Вселенной: та же
ЛИТЕРАТУРА
1. Де<)ктГ.В. //УФН. 2000. Т. i 70. № 6. С. 585-618.
2. Hull S.J. // Wear. 1999. V. 233-235. P. 412-423.
3. PelhicaJ.fi.. Hutching* R, Oliver И'С. И Phil. Mag. Л. 1983 V 48. № 4. P. 593-606.
4. Oliver W.C.. Pharr C,.M H .1. Mater. Res. 1092. V. 7. № 6. P 1564-1583.
5. WolfH. // Cryst. Res Tech no! 2000. V. 35. № 4. P. 377-399.
6. Venkalesh T.A.. Van Vhei K.J, Ciatwakopoiilos A.h\, Suresh S. // Scripta Materialia. 2000. V. 42. P. 833-839.
7. Hhushan ü.. Kulkarni A. V.. Hon in W.. Wyrohek J. T. .7 Phyl. Mag. 1996. V. A74.№ 5. P. 1117-1128.
8. Иулычен С.И.. Алехин H.H. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Маш иное ipoeimc. 1990. 224 с
9 / :i.rhcr,ci, ш и/.. Yu. W.. Kramer !> .S’,'.1;.",'.", A , Hahr D.. l.iücuddcr. K.,
Nelson./ Hi. Mater. Res. 1998. V. 13. №2 P. 421-439.
10. Sy cd .bi/ SA.. Wahl KJ.. Coito» R.,1. // j. Mater. Res. 2000 V. 15. P. 546-553.
11. i-arher H.Ya.. Orlov V.l., Nikhenko V.l. Heuer A.N. ii Phil Mag. A. 1998. V. 78.№3. P. 671-677.
12. iarher ß.Ya.. Orhv V.l.. Heuer A H H Plivs Stat Sol. la). 1998, V. 166. № 1. P. 115-126.
13. Гштин Ю.И., Тюрин A ll. И Письма ч ЖЗТФ 1994. № 60. № 10. C. 722-726.
14. I mtmuii Ю.И., Тюрин A.ll. // ФТТ. 1996. № 6. C. 1812-1810.
15. Головин Ю.И., Тюрин А.И.. Итлгин H.H., Корсаков H.H. 1! Письма в ЖТФ. 1997. T. 23. № 16. C. 15-19.
16. Головин Ю.П.. Тюрин А.И., Иаолгин H.H., Коренкоч H.H. И ЖТФ. 2000 Т. 70. №5. С. 82-91.
17. Golovin Yu.!., Tyurin A.L. larher ß.Y. // J. Mater. Sei. 2002. V. 37. P. 895-904.
18. (iolovin Yu.1., Tyurin ÆJ., harber B.Ya. U Plul. Mag. Л. 2002 V. 82. № 10 P. 1857-1864.
19. (iolovin Yu.I., Ivolgm VI, Korenkov I ' 1". Korcnkova /V. C. Larher H.Ya. 4 Phil. Mag. A., 2002. V. 82. № 10. P. 2173-2177.
20. Rozhanskit VN., Veledntiskayu M.A. II Phys. Stat. Sol. (a). 1971. V. 8. № 2. P, 551-564.
21. Akchurin M.Sh., Regel V.R. H Chemistry' Reviews. 1998. V. 23. Pt. 2. P. 61-90.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №04-02-17198 и 06-08-01433).
Поступила в редакцию 20 ок тября 2006 г.
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭВОЛЮЦИЕЙ СТРУКТУРЫ И КОМПЛЕКСОМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АМОРФНО-НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
© И.В. Ушаков, В.М. Поликарпов, А.Е. Калабушкин, Ю.Ф. Титовец,
О.Р. Людчик, А.П. Бурмаков, А.С. Перминов, Ю.Ф. Лебедев
Ushakov I.V.. Polikarpov VM. Kalabushkin A.E., Titovets J.F., Ljudchik O.R.. Burmakov A.P., Perminov A.S.. I.ebedev J.F. Modern management methods of evolution of the structure and complex of physical and chemical properties of amor-phously-nanocry stalline metal alloys.
В последние годы отмечается возрастающий иите- ся уникальным сочетанием физико-химических харак-
рес к новому классу нанокристаллических материалов: тсристик. что обусловлено спецификой его получения,
аморфно-нанокристалличсским металлическим спла- В последние годы появляются работы, посвященные
вам. получаемым контролируемой кристаллизацией исследованию особенностей формирования аморфноисходно аморфных мета.! л ических сплавов. Новый нанокристаллической матрицы. К настоящему времени
класс нанокристалл ических материалов характеризует- экспериментально установлена возможность получения
сингулярность в «нуле» времени, те же изменения всех существе! 1ных параметров на много порядков величин, та же смена «'эпох» по мере течения времени и роста характерных размеров задачи.
От дельные замечательные главы в науке о наноконтактах - исследование электрических токов и химических реакций в области между зондом и поверхностью твердого тела. В перспективе - это и наноэлектроника нового поколения («одноэлектроника» - т. с. приборы, управляемые одним единственным электроном), это и конструкции, использующие фуллереповые панотрубки, и нанолитография - высокоразрешающая технология локального химического модифицирования поверхности атомарно острыми иглами с целью получения сверхвысокой плотности элементов на кремниевой подложке, записи информации и многое другое. По описание этих бурно развивающихся разделов физики нанаконтактов выходит за пределы объема настоящей статьи.
Несмотря на значительное продвижение в понимании природы нанокот ак тов, достигнутое в последние годы, ряд принципиальных вопросов остается тем не менее открытым. Чем обусловлена смена механизмов массоперсиоса и пластической деформации по мере погружения индентора - изменением масштаба отпечатка и зоны деформации, течением времени, понижением действующих напряжений и скорости относительной деформации или необходимостью иметь большую концентрацию точечных дефектов для зарождения мелких дислокационных петель в условиях очень стесненной деформации? Какова природа время-зависимой части поглощаемой энергии в зоне деформации и механизмы восстановления отпечатка после разгрузки? И. уж если помечтать, то нельзя ли добиться в конце концов такого режима свсрхскольжения, в котором трение бы вовсе отсутствовало, подобно отсутствию сопротивления при сверхпроводимости или сверхтекучести? Можно надеяться, что развитие прецизионных динамических методов нанотестирования позволит- со временем ответить и на эти вопросы.
