Микрорельеф монокристаллического LiF при микросклерометрических исследованиях Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ИНСТИТУТ МАТЕМАТИКИ, ФИЗИКИ И ИНФОРМАТИКИ СЕКЦИЯ: ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА

УДК 620.162.2

МИКРОРЕЛЬЕФ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО LiF ПРИ МИКРОСКЛЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

© А.И. Тюрин, М.А. Юнак

Ключевые слова: микрорельеф, монокристалл, микросклерометрия, деформация, скоростная зависимость, доля материала, царапание.

В работе рассмотрены вопросы формирования микрорельефа монокристаллического при микросклерометрических исследованиях.

Особый интерес для науки и промышленности в настоящее время представляют неразрушающие способы контроля качества готовых изделий и элементов конструкций, поскольку их отказы или разрушение в эксплуатации приводят к существенным экономическим потерям, серьезным экологическим последствиям. Как известно, разрушение твердого тела обычно начинается с поверхности: трение и износ по своей сути представляют собой поверхностные явления. При этом закономерности и механизмы кратковременной пластической деформации, протекающей в микро- и субмикрообъемах твердых тел и тонких приповерхностных слоях, могут существенно отличаться от аналогичных свойств в макрообъеме.

Смоделировать поведение материала в этих условиях можно методом динамического микроиндентирования.

При изучении влияния среды на механические свойства этот метод, однако, имеет ряд ограничений, обусловленных преимущественно сжимающими компонентами тензора напряжения в контактной зоне и недоступностью поверхности материала атомам (молекулам) среды именно в зоне максимальных нагрузок. Подобные ограничения преодолеваются, по крайней мере, частично при тангенциальном движении инден-тора вдоль поверхности образца, т. е. при царапании. Такие испытания особенно информативны при малых нагрузках на индентор, как в методах микро- и ультрамикросклерометрии [1].

Метод склерометрии позволяет получить более полную информацию о характере деформирования материала (особенно о его ориентационных зависимостях), чем индентирование. Кроме того, поскольку царапание представляет собой элементарный акт многих механико-технологических процессов, склерометрические исследования представляют не только научный, но и практический интерес.

В качестве исследуемого материала был взят модельный монокристалл ЫЕ, к тому же часто использующийся в электронике (твердотельные лазеры).

Целью работы стало изучение микро- и нанорельефа

поверхности вокруг царапины. Были вычислены количественные характеристики рельефа, а полученные результаты сравнены с данными, полученными путем микро- и наноиндентирования.

Создание нанорельефа производили склерометрическим методом на приборе MTS G-200. К индентору Берковича прикладывали линейно нарастающий импульс нормальной нагрузки постоянной амплитуды. При приложении к индентору добавочной касательной моды смещения получали царапину. Скорость перемещения индентора варьировалась в пределах от 1 до 500 мкм/с. Контроль микрорельефа проводился непосредственно после нанесения царапины самим G-200, путем снятия параметров рельефа царапины при заданном значении силы. Знание рельефа материала в зоне деформирования позволяет определить объем материала, вынесенного в навал.

В ходе работы показано, что материал в LiF выносится на поверхность, образуя навалы по бокам царапины, также как и при наноиндентировании данного материала.

Однако вычисление и сравнение долей материала, вытесненного в навал, для этих двух случаев показало их кардинальное различие. Доля вытесненного материала при динамическом наноиндентировании составляет от 9-32 % и зависит от скорости относительной деформации. Доля вытесненного материала при микро-склерометрических испытаниях составляет порядка 5060 % для всего исследуемого диапазона скоростей относительной деформации.

Полученные результаты находят подтверждение в работе [2], показавшей, что навал так же как упругий прогиб больше и сильнее выражен на широком классе материалов, начиная с металлов и заканчивая полимерами, при скрабировании, чем при индентировании.

Таким образом, видно, что тип испытания коренным образом изменяет ход скоростной зависимости и численное значение доли материала, выносимого на поверхность в навал.

о'4 4°% ЛчА

_1+ • + * T&v!/ у / . • /*1 • н- V Ш/ / ч V

-15 -10 ++ 5 в Щ \ • в ++ • ++ • 1 +1 • 60СР 1 я; • 5 10 15 £ • ++ длина навала, мкм . ,++

1 • 60$ ++ • " -\- • щ V і і .V *1мН Ж ф+ Д2МН • + □ 3 мН | •+ * • її 1

J высота 1J 0 5 мН •50тН ^ -+■ ЮОтН

навала, нм

Рис. 1. Нанорельефы, нормированные на глубину максимального отпечатка

ЛИТЕРАТУРА

1. Щукин Е.Д., Михалске Т.А. и др. Микросклерометрия в изучении влияния среды на механические свойства металлов // Физика и химия обработки материалов. 1998. № 3. С. 99-104.

2. Jardret V., Zahouani H., Loubet J.L., Mathia T.G. Understanding and quantification of elastic and plastic deformation during a scratch test. Wear 218. 1998. Р. 8-14.

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

Поступила в редакцию 18 ноября 2008 г.

Tyurin A.I., Unak M.A. Microrelief of monocrystal LiF in mi-crosclerometric researches. In work questions of information of the microrelief monocrystal LiF are considered at microsclerome-tric researches.

Key words: microrelief, monocrystal, microsclerometry, deformation, speed dependence, part of the material, scratching.

LITERATURE

1. Shchukin E.D., Mikhalske T.A. et al. Microsclerometry in studying the influence of the environment on mechanical properties of metals. Physics and chemistry of material treatment. 1998. № 3. P. 99-104.

2. Jardret V., Zahouani H., Loubet J.L., Mathia T.G. Understanding and quantification of elastic and plastic deformation during a scratch test. Wear 218. 1998. P. 8-14.

УДК620.162

СВЕРХПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ В СУБМИКРООБЪЕМЕ ПРИ НАНОКОНТАКТНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ

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

Ключевые слова: скорость относительной деформации, сверхпластичность, деформация, субмикрообъем, наноконтакт, активационный объем, скоростная чувствительность.

В работе рассматривается сверхпластическая деформация в субмикрообъеме при наноконтактном взаимодействии.

Хорошо известно, что с уменьшением области деформирования материалов до десятков - сотен нанометров все их свойства могут сильно измениться. Смоделировать поведение материала в таких условиях

можно методом динамического наноиндентирования сосредоточенной нагрузкой, создавая различные условия взаимодействия путем варьирования формы, амплитуды и характерных времен импульса нагрузки.