Исследование физико-механических свойств твердых тел методом динамического наноиндентирования ступенчато-нарастающей нагрузкой Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.162

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ СТУПЕНЧАТО-НАРАСТАЮЩЕЙ НАГРУЗКОЙ

© А.И. Тюрин, В.В. Хлебников, В.В. Шиндяпин, А.П. Занин

Ключевые слова: наноиндентирование, нагрузка, скорости относительной деформации, поведение материала, временная и масштабная зависимость.

В работе проведены исследования физико-механических свойств твердых тел методом динамического нано-индентирования ступенчато-нарастающей нагрузкой.

Интерес к исследованию поведения материала в условиях действия высоких локальных напряжений обусловлен тем, что подобные условия встречаются в большом числе практически важных задач нанокон-тактного взаимодействия: при изготовлении и эксплуатации наномеханических устройств; в процессе использования материалов в области микро- и нанотехнологии; в нанолитографии методами импринтинга, атомносиловой микроскопии, атомных манипуляциях и т. д.

Однако отсутствие специальных методик и низкое временное разрешение существующей аппаратуры не позволяет исследовать процессы пластической деформации в условиях действия высоких локальных напряжений с адекватным пространственным и временным разрешением в широком диапазоне скоростей относительной деформации. Это ограничивает информацию о динамике пластической деформации и не дает возможности понять природу протекающих физических процессов. При этом не известны: ни характерные времена; ни реальная кинетика протекающей пластической деформации; ни мгновенные значения контактных напряжений и скоростей относительной деформации. Также очень ограничены данные о влиянии на механические свойства твердых тел в субмикрообъемах скорости деформации, размеров объекта и температуры. В результате природа процессов, происходящих в тонких приповерхностных слоях и определяющих служебные свойства материала и готовых изделий, особенно в наиболее важном для практики диапазоне скоростей относительной деформации е (от 10-2 до 4-103 с-1), остается во многом не ясной.

Смоделировать поведение материала в микро- и наноконтактах в максимально контролируемых условиях можно методом динамического наноиндентирования сосредоточенной нагрузкой, создавая различные условия взаимодействия путем варьирования формы, амплитуды и характерных времен импульса нагрузки.

Поэтому цель работы заключалась в исследовании кинетики формирования отпечатка, определении кинетических и активационных параметров, установлении типа структурных дефектов и доминирующих микромеханизмов пластической деформации материала под индентором

при динамическом наноиндентировании ступенчато-нарастающим импульсом силы.

Исследования проводились при комнатной температуре. Величина амплитуды приложенной силы выбиралась, исходя из механических свойств исследуемых материалов в ходе предварительных экспериментов, и варьировалась от 20 до 100 мН. При этом максимальный размер сдефор-мированной зоны составлял величину порядка 1 мкм. Это позволило исследовать область деформации при нарастании силы на одну ступеньку в нанометровой шкале размеров области деформирования.

Получены данные и установлены закономерности деформирования различных материалов (ряда ионных и ковалентных кристаллов (KCl, LiF, ZnS, Ge, GaAs, MgO, Si), сталей (сталь 10), объемных аморфных металлических сплавов (Pd40Cu30Ni10P20 и

Zr46,8Ti8Cu7,5Ni10Be27,5), полимеров (ПММА) и керамик (керамика на основе ZrO2)) при ступенчато-нарастающем импульсе нагрузки в максимально контролируемых условиях с высоким пространственным и временным разрешением.

Выявленные закономерности временной и масштабной зависимости динамики локальной пластической деформации и микромеханизмов массопереноса в материалах с различной структурой могут составить физическую основу новых технологий их обработки и более разнообразного практического применения, например, в сфере разработки и производства носителей информации с механическим принципом ее записи и считывания (в т. ч. и основанном на нанесении наноотпечатков на матрицу).

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 07-02-00906).

Поступила в редакцию 19 ноября 2008 г.

Tyurin A.I., Hlebnikov V.V., Shindyapin V.V., Zanin A.P. Research physico-mechanical properties of firm bodies the method dynamic nano-indentation is step-growing load. In the pa-per, researches of physicomechanical properties of firm bodies are carried out by the method of dynamic nano-indentation by step-growing load.

Key words: nano-indentation, load, relative deformation speed, materials behaviour, time and scale effect.