CC BY
32
о,mi «,«/ 0,1 1
£,с’
И) 100
Рис. 3. Зависимость доли материала, выносимого на поверхность. от скорости относительной деформации
Описаны возможные механизмы выноса материала на поверхность при действии высокого локального нагружения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тюрин АН. Юнак М. А. Влияние скорости относительной деформации на формирование микрорельефа в зоне контакта при действии высоких локальных напряжений // Фазовые превращения и прочность кристаллов: Четвертая Междунар. конф. Черноголовка, 2006. С. 101-102.
2. Боярская Ю.С.. I рабко Д I, Кац М.С. Физика процессов микро-нндентировання. Кишинев: Штиинца, 1986. 264 с.
3. СаратгУк i.K-. Гшуспюшниш М.в.. Дриясв Ц./Особенное!и деформации шелочно-галоидных кристаллов под действием сосредоточенной нагрузки//Ф П . 1999. Т. 41 № I I . С 1999-200.1
4. Фоменко Л.С., Лубенец ( И и <>р. Изучение локальной дефектной структуры кристаллов CdTc-Ge методом микроиндентирования // ФТТ. 1998 Т. 40. № 2. С 264-268.
5. Оаприкоя <) А/. Дуб С.Н. Влияние скорости нагружения на механизмы пластической деформации в висмуте // Журнал технической физики. 2001. Т 71 № 5 С. 44-Ф6.
6. Акчурин M IL!-. Гаитян В.Г. Формирование дислокационной структуры при индентировании кристаллов в Р')М // Иэв. АН СССР Сер. Ф^ичсская (990. Т 54. № 2. С 354-361.
7. Ганшин Ю.И.. Тюрин АЛ. Недислокационная пластичность и её роль в массопереносе и формировании отпечаi ка при динамическом индентировании П ФТТ. 2000. Т. 42. № 10. С. 1818-1820.
8. Акчурин М.Ш,. Васеев /■ //. Михина Г.Ю., I’ercih ИГ. О роли массопереноса материала за счет неремешеннй точечных дефектов в процессе микровдавливания /'ФТТ. I988. Т.30. №3. С.760-764 .
9. ИиОсибом В..Ч. Межузсльный (краудионный) механизм пластической деформации и разрушения // Письма в ЖЭТФ. 1970. Т. 12. № 12. С. 526-528.
10. Мирзаев ДА., Окишев К.Ю. Полиморфные (фазовые) превращения в металлах и сплавах. Кинетика // Фазовые и структурные превращения в сталях: сб. науч. тр. № 1 С. 91-115
11. Шмытько И.М., Изотоп А Н. и >)р Фазовые переходы в монокристаллах кремния, обусловленные ориентированной пластической деформацией // ФТТ. 1998 Т. 40. №4. С. 746-749.
[ 1оступила в редакцию 20 октября 2006 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ МИКРО- И НАНОКОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДАМИ ДИНАМИЧЕСКОГО НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ
© А.И. Тюрин, В.В. Хлебников, В.И. Иволгин, Э.А. Бойцов, А.М. Куприякин
Tjurin A.I.. Hlebnikov V.V.. Ivolgin V.I.. Boytsov E.A., kupriyakin A.M. Research of the influence of speed of relative deformation and modeling of kinclics of a micro- and nanocontacl interactions of solids hy the methods of dynamic nano-
•
indentation. Kinetics of print formation in a wide interval E (from 10-3 up to 104 with-1) is investigated. Separate stages of print formation are revealed at nano-indentation. Numerical values of the size of dynamic solidity Hj, activation volume y. factor of speed sensitivity of solidity a and a volume fraction of the material generated at each stage of print formation at
•
various values <S > (from 10-2 up lo 102) are defined. It is shown that dependences у -f(hc> and a =/fiKl correlate. On the basis of the received data the process of plastic print formation can be considered as a stage-by-stage change of dominating micromechamsms of plasticity.
Ипланирование. заключающееся во вдавливании жесткою индентора в поверхность с последующим определением микро-. а в последнее время и нанотвердости, продолжает оставаться одним из наиболее распространенных методов исследования механических свойств в приповерхностных слоях твердых тел. Наряду с традиционными мотивациями возникли и новые, связанные с развитием нанотехнологии [ 1 ]. в частности, в связи с разработками интегрированных микро-элсктромеханичсских систем и интеллектуальных микророботов 11-2]: систем высокоплотной записи, хранения и считывания информации на механических носителях путем нанесения уколов атомарно острыми иголками [3^4 [: зондовой силовой микроскопии [5-6]; а также и другими потребностями нанотехнологии [7].
Кроме тою, многие практически важные случаи получения и механической обработки материалов, изготовления из них различных изделий и их дальнейшая же-плуатапия (микро- и наноконтактиое взаимодействие при сухом [рении, механическая шлифовка и полировка, образивпый и эрозийный износ, соударение микро-и ианочастиц между собой и с поверхностью твердых тел. тонкий помол и т. д.) подразумевают значительную локальную упруго-пластическую деформацию в субмикронных областях в условиях высоких скоростей
•
относительной деформации г (более 102с_|).
Однако физическая сущность процессов, протекающих в этих и подобных условиях, остается во многом невыясненной. г)то затрудняет возможность соот-
нести величину микро- и нанотвердости с какими-либо другими физическими характеристиками материала и процессами, происходящими в нем при деформации, а также с образованием и динамикой структурных дефектов в зоне укола.
Ситуация осложняется тем. что в рассмотренных примерах зона деформации материала достаточно мала (она может определяться в микронной или даже в па-номе тровой шкале), кроме того, происходящие процессы характеризуются большими скоростями относительной деформации и их высокой локализацией, а также малыми временами контакта. Все это определяет актуальность проведения исследования механических свойств, кинетики и микромеханизмов пластичности различных материалов па уровне отдельных элементарных событий в одном микро- или наноконтакте при действии высоких локальных напряжений.
Смоделировать происходящие в этих условиях физические процессы можно методом динамического микро- и напоипдентирования [8-9]. Оно заключается во вдавливании жесткого индептора известной геометрии в материал в максимально контролируемых условиях: непрерывно, с высоким пространственным (до 1 нм) и временным (до 50 мке) разрешением, регистрируется величина действующей силы и глубина внедрения ин-дентора.
Это позволяет в контролируемых условиях, даже при малых глубинах отпечатка И (~ 100 нм) и весьма умеренных скоростях внедрения индентора (и = (1И/Ж ~ 1 мм/с) получать под индентором достаточно высокие значения мгновенной скорости относительной деформации
•
материала е(1) * (сНг/с(1)/И ~ 104 с При увеличении
И и уменьшении величины и 8 может уменьшаться до значений 10“"-И0“’ с 1 и даже меньше. Таким образом, методика динамического индоптирования позволяет
значение площади проекции контакта в пластическом отпечатке с учетом конечного радиуса закругления реального индентора, Н>, - твердость исследуемого материала при максимальной глубине погружения индентора. Учет реальной формы острия индентора производили по методике Оливера - Фарра [10-11]. которая стандартно используется при количественной обработке результатов наноиндентирования. Типичные значения и а в зависимости от 1гс для ряда материалов представлены на рис. 2 и рис. 3.
Для определения микромеханизмов пластичности при различных способах испытания обычно примято определять активационные параметры - величину активационного объема у и энергию активации С . Однако при индентировании. как правило, определяют величину у [12-17]. Эго обусловлено во многом отсутствием в литературе сравнительных данных об энергии активации различных дефектов структуры в условиях действия высоких локальных и сильно неоднородных напряжений и высоких плотностей структурных дефектов. Числовые значения величины у обычно определяются из
' и* - у(ст)4
уравнения Аррениуса вида 8 = ео ехр
кТ
исследовать влияние Е на кинетику и микромехапизмы пластической деформации материала при действии высоких локальных напряжений в достаточно широком
•
диапазоне 8. перекрывающем 8-10 порядков величины. Используемое в работе нагружение треугольным импульсом силы Р (см. рис. 1) с варьируемой амплитудой от 0.4 до 240 мН и длительностью фронта импульса на-фузки тф в интервале от 10 мс до 100 с обеспечивали
•
исследования в интервале 8 от 10 3 до 104 с '.
В работе проводились исследования ионных и ковалентных кристаллов (ГлТ. Ос), а также объемного аморфного ме таллического сплава (Zr^, 8TigCu^sNiioBejy.s).
Знание реальной кинетики формирования отпечатка h(t) и !\t) позволяют строить диаграммы полного цикла нагружения - разгрузки в координатах P-h (рис. I), для различных значений средней скорости относительной
деформации < 8 >~ (dhf dt)I h ~ 1! Хф , а также определять мгновенные значения динамической твердости ИJ,t\ коэффициента скоростной чувствительности а и ряд других параметров. Здесь Нj(t) = P(t)/Ac(t).
m
a - ('og{Htj / Hsf)/ ('og(e) . где Ac(f) - мгновенное
Рис. 1. Типичные Р-Ь диаграммы, полученные при индентиро-
вании 7пй.хТ|кСи7^1к|Ве27.>. <8>: 0.01 с”1 - (I); 0,1 с 1 - (2): 1 с-1 - (3). На врезке показаны кинетические зависимости величины действующей силы Р({) и глубины отпечатка И{1) при длительности фронта импульса нагружения Тф = 1 с
Рис. 2. Зависимость величины динамической твердости от глубины пластическою отпечатка - 1к мри индентировании • • •
УК. 1 -(<£> = 0.01 с ’):2 —(<£> = 0,1 с '); 3 -(<£> = 1 с '); 4 (<£>-20 с )
которое с учетом условий, реализуемых пол инденто-ром. обычно записывают выражением
у = \2kT(dfog(s)/dH) 112J. При этом величина активационного объема фактически определяется тан ген-
сом угла наклона кривых в кординатах Pn(z) от Н.
Числовые значения величины активационного объема у в зависимости от глубины пластическою отпечатка ht, представлены на рис. 3. Ход зависимостей У = ./{//,.■) (рис. 3) показывает, что для всех исследованных материалов величина у растет с ростом Л,. При 'лом можно выделить два этапа роста величины у.
I этап характеризуется относительно малой величиной hc (которая зависит от тина исследуемого материала) и
9
зависимостью величины у от <Б>; N этап характеризуется достаточно большими значениями величины
hL > h[ и отсутствием зависимости у от < £ >, где h[. -критическая глубина перехода от I ко II этапу. Числовые значения величины активационного объема у на I и
II этапах показывают, что для всех исследуемых материалов у на нервом этапе возрастает от единиц до десятков объемов иона Г, химических элементов, входящих в состав материала. Ha II этапе величина у для LiF возрастает до значений в десятки - сотни У,: для Zr468Ti8Cu7 5Nii(jlie27,s и Ge - до десятка V, (рис. 4). Такие числовые значения величины у на I этане свидетельствуют в пользу моно- и малоатомных микромеханизмов массонереноса. Ila II этапе, когда, например, для LiF величина у возрастает до сотен происходит смена моно- и малоатомных микромеханизмов деформации на многоатомные (например, зарождение и движение отдельных атомов и краудионов сменяется дислокационными микромеханизмами). Для Ge и ^г4б,8’1>Niir,Be27.? возрастание у на втором этапе соответствует повышению степени коллективизации при пластической деформации. При этом рост у в Ge может быть обусловлен зарождением и движением краудиопов и малоатомных кластеров, а также фазовыми переходами в локальных нанообъемах; а в ^•г4(,-8Т'i8Cu7.sMi юВе27>5 - формированием и движением малоатомпых кластеров |12| или началом процесса кристаллизации под давлением в локальных нанообъемах материала в зоне деформирования.
Сопоставление полученных данных о величине у = y{hc) с зависимостью коэффициента скоростной чувствительности твердости как функции от hc. т. е. a =/(hc) выявило качественную корреляцию этих зависимостей.
11ри этом на 1 этапе величина а заменю уменьшалась. а у росла при увеличении h€ I la II этапе величины а и у остаются практически постоянными (рис. 3). Такое соответствие в поведении величин а и у, на наш взгляд, может означать, что величина а (а следовательно, и сама величина Н) коррелирует с доминирующими микромеханизмами пластической деформации.
Знание реальной кинетики формирования пластического отпечатка позволяет определить также и долю объема сформированного отпечатка па каждом из этапов деформации в зависимости or средней скорости
•
о тносительной деформации <£>. Так. при формиро-
hr. нм
Рис. 3. Зависимость коэффициента скоростной чувствительности — о. и величины активационного объема - у от глубины )
пластического отпечатка - Нс для всех исследуемых материалов.
• • «
]-а;2-(<8> = 0,01 с_|);3-(<8> = 0.1 с_|);4-(<е>= I с"1):
5 - (< 6 > = 100 с-1). 1, II - первый и второй этапы формирования отпечатка
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Ьс, нм
Рис. 4. Зависимость количества объемов ионов материала,
участвующих в пластической деформации .V = У от
< (' >
глубины пластического отпечатка Ии для 1ЛК и Ое. Здесь у - величина активационною объема: <У,> - усредненный объем иона исследуемого материала
Рис. 5. Доля объема вытесненного на I тгане форми-
рования отпечатка в кристаллах LiF в зависимости от средней
•
скорости 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, Vj, составляет от 5 до 25 % в зависимости от типа исследуемого материала •
и величины £. а на II этапе - Ги - соответственно 75-95 %. Для LiF \\ 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 Hd. 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 = J{hL.) и а = J[hL) 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 (i.. Hah re r H. // Reviews of Modem Physics. 1999. V 71. № 2 P. 324-330.
5. Marsh G // 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.. Tunck A., Georges J.-M., Georges Г., Louhe.t.IT. if Phil. Mag. A. 1996. T. 74. №5. C.1061-1072.
8. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М : Машиностроение. 2ШЗ. И 2 с.
9. Головин Ю.И., Иаолгин НИ. Корсаков ВВ., Тюрин А.!}. /. ЖТФ 2000 Т. 70. Вьш. 5. С. 82-91.
10. Golovin Yu.I, Tvunn A.i. ami Tarher B.Yu. Hi. of Materials Science 2002. V. 37. P. 895*904
11. Oliver W.C.. Pharr G.M. II J. Mater. Research 1992. V. 7. № 6. P. 1564-1583.
12. Oliver W.C., Pharr G.M. // J. Mater. Research. 2004. V. 19. № I. P. 3-20.
13. Алехин В.П., Гнычеа СИ //ДАН СССР. 1978 T 238. №6. С. 1328-1331.
14. Иоярекая Ю.С.. I'робко Л3 , Кац М.С. Физика процессов микро-иидентирования. Кишинев; Штииица, 1986. 295 с.
15 Пу.шчев С И., Алехин И.II Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. 225 с.
16 Головин Ю.И, Тюрин А.И. II 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. Golovin Yu.l., ТуиПп A.I., Tarher В Ya II 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 = сіє/Ж = 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
