CC BY
42
УДК 541.128; 541.183
КИНЕТИКА ФОРМИРОВАНИЯ ОТПЕЧАТКА ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ МИКРОИНДЕНТИРОВАНИИ
© Ю.И. Головин, В.И. Иволгин, А.И. Тюрин, Н.В. Коренкова
Golovin Y.I., Ivolgin V.I., Tyurin A.I., Korenkova N.V. The kinetics of indentation forming by cyclic microindentation. The article discusses the outcome of the research into indentation forming kinetics and contiguous data of the cyclic microindentation of LiF single crystals.
Метод индентирования, как один из эффективных методов тестирования состояния поверхностных слоев твердого тела, в последние годы значительно расширил сферу своего применения за счет качественного улучшения своей технической оснащенности (включая компьютеризацию управления, регистрации, сбора, хранения и обработки информации), роста пространственного разрешения (до 0,05 нм) и увеличения, вследствие этого, числа регистрируемых параметров [1-11]. Это превратило индентирование из простого метода тестирования материала в многофункциональное средство изучения физикохимических свойств тонких поверхностных и приповерхностных слоев твердого тела.
При этом прецизионное индентирование развивается в основном как квазистатический метод исследования. В то же время хорошо известно, что многие механические свойства твердых тел проявляют зависимость от скорости деформирования, а контролиро-ванно смоделировать поведение материала в этих условиях можно методами динамического инденти-рования [9-11]. Так, ситуации, реализуемые при внедрении индентора, характерны и в ряде практически важных случаев (соударение мелких частиц между собой и с поверхностью твердых тел, истирание, износ, шлифовка, механическая полировка и др.), где в микрообъемах могут достигаться высокие локальные и сильно неоднородные напряжения, большие скорости относительной деформации, практически недоступные ни для каких макроскопических испытаний. Кроме того, ситуация развивается достаточно быстротечно во времени, причем может многократно повторяться.
Контролируемо исследовать процессы, происходящие в микрообъемах, в динамике их развития при отмеченных выше условиях практически невозможно из-за отсутствия стандартных методик и оборудования. Это обусловливает необходимость разработок новых подходов и специальной аппаратуры, обладающей не только высоким пространственным, но и временным разрешением.
Для решения задач по исследованию поведения материала в микрообъемах в условиях действия многократного скоростного локального нагружения нами был разработан компьютеризированный микроинден-тометр, обладающий достаточно высоким пространственным и временным разрешением.
Основой установки является горизонтально расположенный шток, с одной стороны которого располагается алмазный пирамидальный индентор, с противоположной - катушка электродинамического привода, находящаяся в поле постоянного кольцевого магнита. Крепление штока осуществляется с помощью симметричного шеститочечного подвеса с жесткостью около 50 Н/м. В его центральной части располагаются подвижные пластины емкостного датчика смещения, неподвижные - связаны с корпусом установки. Управление работой усилителя-преобразователя сигнала емкостного датчика, аналоговоцифрового преобразователя, электронного блока формирования импульса нагружения для питания электродинамического привода и многоканального коммутатора осуществляется компьютером типа 1ВМ. Использованные схемные решения и программное обеспечение микроиндентометра позволили получить: разрешение по измерению глубины внедрения - 10 нм, 1 нм и 0,1 нм на пределах измерения 10 мкм, 1 мкм и 0,1 мкм соответственно; временное разрешение - 50 мкс; длительность нагружающего импульса - от 0,002 до 50 с, амплитудное значение величины силы нагружения - от 1 мкН до 0,25 Н.
При разработке микроиндентометра особое внимание было уделено обеспечению не только его высокой разрешающей способности, но возможностей по формированию различных видов импульса силы, приложенного к индентору (треугольного, трапецеидального, синусоидального и др.). Таким образом, реализована возможность многократного циклического нагружения микрообъемов твердых тел высокими локальными напряжениями, в максимально контролируемых условиях.
Исследования проводились при комнатной температуре на номинально чистых кристаллах LiF. В качестве индентора использовалась стандартная алмазная пирамидка Берковича. Для выявления время-зависимых параметров [2, 3] при действии на материал в микрообъеме многократных высоких локальных напряжений формирование микроотпечатка осуществлялось периодическими синусоидальными импульсами нагрузки различных частот.
Исходными данными для проведения исследования являлись графики зависимости величины силы нагружения Р , приложенной к индентору, и глубины его погружения в образец к от времени. На рис. 1а -
а)
б)
Рис. 1. Кинетика формирования отпечатка в кристаллах ОБ при многократном циклическом нагружении. а) Копия экрана компьютера после проведения измерения. б) Р(к) - диаграмма. Р^) - величина приложенного импульса силы, к() - величина смещения индентора. Предел измерения по смещению - 10 мкм, Ртах = 0,25 Н, Гимп = 50 мс, N = 20 циклов
(типичное изображение на экране монитора компьютера) представлены кинетические зависимости Р(Г) и Щ) для двух циклов нагружения, причем
Р(0 = Ртах*(1-С08(^)У2. (1).
Как следует из приведенных данных, формирование отпечатка при заданном способе нагружения в основном завершается в течение первой половины первого цикла, когда глубина внедрения индентора достигает максимума (динамическая глубина - кд). При снятии нагрузки (конец цикла) происходит частичное восстановление отпечатка, которое характеризуется глубиной кв. Последующие циклы, практически не изменяя разности кд и кв, тем не менее приво-
дят к заметному росту обеих величин. Проведение циклических нагружений на различных частотах показывает, что кд и кв заметно зависят также и от частоты нагружения. Таким образом, максимальная и минимальная глубины внедрения индентора оказываются зависящими как от частоты приложенной гармонической силы нагружения, так и от номера цикла, отсчитываемого от начала нагружения (см. рис. 2а для кд). Характерной чертой приведенных графиков является наличие разных пределов, к которым стремятся значения кд и кв аналогично). Очевидно, что твердости, как Нд - динамическая, так и Нв -восстановленная, также оказываются функциями тех же величин, причем их значения монотонно снижаются при увеличении числа циклов от начала формирова-
И,мкм
4.0
3.5
3.0
2.5
2,0
■ период 0.1
цикл
10
15
20
а)
Работа, нДж
0,4
0,3
0,2
0,1
б)
цикл
10
15
20
в)
Рис. 2. Кинетические характеристики многократного циклического индентирования. а) Зависимость динамической глубины погружения от номера цикла для нагружения с разными частотами. б) Зависимость максимальной работы в цикле от его номера при нагружении с разными частотами. в) Зависимость фактора рассеяния энергии при циклическом нагружении
ния отпечатка, но увеличиваются при повышении частоты циклирования.
Рассмотрим процессы формирования отпечатка в этом режиме с энергетической точки зрения на основе анализа Р(к)-диаграмм нагружения, полученных из зависимостей Р(Г) и Щ) путем исключения времени. Эти диаграммы имеют вид, представленный на рис. 1б и описывают одновременно 20 циклов нагружения. Учитывая, что площадь, ограниченная кривыми Р(к), пропорциональна работе, совершенной при деформации, можно сделать вывод о том, что на начальном этапе формирования отпечатка работа привода индентора расходуется в основном на пластиче-
скую деформацию. Это хорошо видно как в первом, так и во втором цикле, поскольку оба цикла не замкнуты (происходит увеличение глубины восстановленного отпечатка кв), в тоже время на заключительных стадиях работа привода невелика и рассеивается в отпечатке.
Для количественной оценки процесса формирования отпечатка воспользуемся величиной, называемой фактором рассеяния энергии в периодических процессах (см., например, [1]). На рис. 2в приведены графики, позволяющие сделать вывод о том, что, как и следовало ожидать, фактор рассеяния энергии убывает с увеличением номера цикла, что связано с по-
0
5
0
0
5
степенным затуханием процесса формирования отпечатка, однако его величина стремится к некоторому предельному значению, которое, вероятно, связано с процессами рассеяния тепла в отпечатке. Кроме того, проявляется частотная зависимость этого показателя: с увеличением частоты фактор рассеяния возрастает. Однако, если обратить внимание на изменение максимальной работы привода в цикле (рис. 2б), то оказывается, что этот параметр в пределах погрешности опыта не проявляет подобной зависимости. Кроме того, при проведении достаточного числа циклов кривая восстановления спрямляется за счет устранения процессов задержанного упруго-пластического восстановления. Эти обстоятельства указывают на то, что определение модуля Юнга целесообразно проводить после выполнения некоторого числа циклов, и в этом случае оно не зависит (или мало зависит) от скорости нагружения.
Таким образом, в работе с высоким пространственным и временным разрешением исследована кинетика формирования отпечатка при периодическом нагружении.
Установлено, что скорость формирования отпечатка в основном определяется не временем взаимодействия с индентором, а числом циклов нагружения.
Показано, что глубина отпечатка, сформированная в основном в течение первого цикла, восстанавливается при снятии нагрузки на одну величину, ко-
торая монотонно уменьшается при изменении частоты от 10 до 0,1 Гц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. 224 с.
2. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир,
1989. 509 с.; Машиностроение, 1979. 192 с.
3. Ры1жов Э.В., Колесников Ю.В., Суслов А.Г. Контактирование твердых тел при статических и динамических нагрузках. Киев: Наукова Думка, 1982. 172 с.
4. G.M. Pharr, W.C. Oliver. // Mater. Res. Soc. Bull. 1992. V. 17. № 7. P. 28-33.
5. Nix W.D. // Metal. Trans. A. 1989. V. 20. P. 2217-2245.
6. EuverardM.R. // J. Coat. Techn. 1994. V. 66. № 829. P. 55-59.
7. Shimamoto A., Tanaka K. // Rev. Sci. Instrum. 1997. V. 68. № 9.
P. 3494-3503.
8. Kiely J.D., Jarausch K.F., Houston J.E., Russell P.E. // J. Mater. Res. 1999. V. 14. № 6. P. 2219-2227.
9. Головин Ю.И., Тюрин А.И. Современные проблемы нано- и микротвердости твердых тел // Препринт ТГУ. Тамбов, 2000. 42 с.
10. Головин Ю.И., Тюрин А.И., Иволгин В.И., Коренков В.В. // Изв. вузов (Материалы электронной техники). 2000. № 2. С. 29-32.
11. Головин Ю.И., Тюрин А.И., Иволгин В.И., Коренков В.В. // ЖТФ. 2000. Т. 7. Вып. 5. С. 89-91.
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, грант № 98-02-16549.
Поступила в редакцию 2 ноября 2000 г.
