CC BY
32
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ ПРИ НАНОИНДЕНТИРОВАНИИ КВАЗИКРИСТАЛЛА М^У-гп © В.В. Корсаков, Н.В. Коренкова
Особая укладка атомов в квазикристаллах, при которой полностью или частично отсутствует трансляционная периодичность и характер межатомных связей, преимущественно ковалентный, обуславливает специфический характер их механических свойств. При комнатной температуре квазикристаллы являются хрупкими материалами с практически нулевой макропластичностью [1]. В то же время при измерении твердости образуются четкие отпечатки индентора, т. е. проявляется микропластичность при локальной деформации под высоким давлением. Относительно природы низкотемпературной микропластичности квазикристаллов единого мнения еще не выработано. Существует мнение, что она может быть обусловлена фазовым переходом под индентором в более пластичную фазу [2], в том числе и с образованием нанокристаллической структуры [3]. Однако наличие характерного признака фазового перехода при наноиндентировании - скачкообразного изменения монотонности нагрузочной или разгрузочной кривой - недавно было объяснено формированием полос сдвига, отчетливо наблюдаемых в отпечатке методами электронной и атомно-силовой микроскопии [4].
В данной работе методом динамического наноин-дентирования исследовалось поведение икосаэдриче-ского квазикристалла М&оУюЕпбо при нагружении с постоянной скоростью изменения нагрузки в диапазоне от 4 мН/с до 4000 мН/с. Диапазон скоростей нагружения обеспечивался варьированием длительности нагружения от 10 мс до 10 с при постоянной величине нагрузки Р = 40 мН. Специфика деформации квазикристалла предполагала наличие сильной скоростной зависимости твердости. Однако изменение твердости составило всего АН = 5 % при изменении скорости нагружения на три порядка величины.
Причину аномально слабой скоростной чувствительности твердости мы видим в образовании неустойчивости пластического течения кваз 1 икристалла при нагрузках выше некоторого порогового значения Ркр. Вне зависимости от скорости нагружения найденное значение пороговой нагрузки составило Ркр = 25,5 ± ± 0,75 мН. При таких нагрузках образование трещин в квазикристалле обнаружено не было [5]. Возможно, при этом генерируются полосы сдвига, и происходит вынос материала за пределы отпечатка, как это имеет место в аморфных сплавах [4]. Но сохраняется ли при этом неизменной структура материала вокруг полос сдвига?
Чтобы ответить на этот вопрос, мы проверили окрестности точки Ркр на наличие фазового перехода. Для этого использовалась методика многократного
нагружения отпечатка линейно нарастающей от цикла к циклу нагрузкой. Нагрузка в первых двух циклах выбиралась из условия Ртах < Ркр. В трех последующих циклах предельная нагрузка Ртах превосходила пороговое значение Ркр для начала нестабильности пластического течения. В результате, петля гистерезиса между кривыми разгрузки и повторного нагружения в первых двух циклах не наблюдалась. Петля гистерезиса появлялась после третьего цикла повторного нагружения, т. е. только после того, как на кривой нагружения появлялись характерные для фазовых переходов скачки (рис. 1а). На гистерезисных петлях среднего контактного давления в отпечатке (рис. 16) особенно наглядно проявляются все характерные признаки фазового перехода.
Это дает основание полагать, что нестабильность пластического течения квазикристалла У-М%^п ассоциируется с формированием в отпечатке новой фазы,
50
о
контактная глубина отпечатка, км
б)
Рис. 1. Скачки (указаны стрелками) на кривой нагружения а) и обусловленный фазовым переходом гистерезис контактного давления в отпечатке б). Римские цифры указывают номер цикла нагружения
0 200 400 600
глубина отпечатка, нм
а)
обладающей хотя бы одномерным трансляционным порядком. С началом пластической деформации происходит накопление фазонных искажений, что и приводит к нарушению порядка в атомной упаковке. С достижением некоторой критической плотности дислокаций в 5-м цикле нагружения фазовый переход фактически прекращается.
ЛИТЕРАТУРА
I. ШтремельМ.А. Прочность сплавов. Ч. 2. М.: МИСИС, 1997. 527 с.
2 Koster U., Liu W„ et aL II J. Noncryst. Solids. 1993. V. 153-154. P. 446-452.
3. Kim J.-J., Choi Y„ Suresh S., et aL II Science. 2002. V. 295. № 5555. P. 654-657.
4. Vaidyanathan R., Dao M, G., Suresh S. II Acta mater. 2001. V. 49. P. 3781-3789.
5. WolfB., Bambauer K, Paufler P. II Mater. Sci. Eng. A. 2001. V. 298. P. 284-295.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант № 01-02-16573) и Министерства образования Российской Федерации (грант в области естественных наук № Е00-3.4-123).
ИНДЕНТИРОВАНИЕ СТУПЕНЧАТО-ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ИМПУЛЬСОМ СИЛЫ © Ю.И. Головин, В.И. Иволгин, В.В. Коренков, А.И. Тюрин, Э.А. Бойцов
Достаточно часто на практике встречаются ситуации многократного нагружения локальной области резко возрастающей силой. К ним могут быть отнесены механические процессы, происходящие при тонком помоле в различных мельницах, при соударениях твердых частиц с поверхностью движущихся транспортных средств, в активаторах механохимических реакций и т. п.
Для контролируемого анализа поведения материала в приведенных выше и подобных им процессах была использована методика, основанная на анализе отклика материала при динамическом индентировании ступенчатым импульсом силы - импульсом перестраиваемой амплитуды и длительности.
Эта методика предоставляет возможность исследования кинетики формирования отпечатка в рассматриваемых условиях и проведения активационного анализа на различных этапах формирования отпечатка, при различной первоначальной степени деформации материала под индентором.
В настоящей работе приведены результаты исследований, с применением рассматриваемой методики, материалов, сильно отличающихся друг от друга своим внутренним строением и характерными для каждого класса материалов механическими свойствами: поли-
мер (ПММА), ионные кристаллы (Ь1Р), керамики (7Юг).
В условиях эксперимента скорость приложения испытательной нагрузки изменялась от 0,01 до 1 Н/с.
Анализ кинетики движения индентора в материале позволил выявить зависимость числа стадий процесса формирования отпечатка на отдельно взятом этапе приложения силы от величины относительной силы нагружения. Так, например, для ионного монокристалла ЬЯ" наблюдается увеличение их количества.
Количественно зависящие от времени свойства твердости принято оценивать величиной коэффициента т, характеризующего чувствительность твердости к скорости относительной деформации. В ходе эксперимента на ЬЯ1 выявлено изменение коэффициента скоростной чувствительности, что косвенно может свидетельствовать в пользу смены мод деформирования материала.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант № 01-02-16573) и Министерства образования Российской Федерации, грант в области естественных наук (шифр Е00-3.4-123).
