CC BY
55
УДК 539.3
РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ГЦК-МЕТАЛЛАХ
© Ю.И. Головин, В.М. Васюков, Р. А. Столяров, А.В. Шуклинов, Л.Е. Поляков
НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия, e-mail: golovin@tsu.tmb.ru
Ключевые слова: размерный эффект при нано-/микроиндентировании; ГЦК-металлы; теория пластичности. Методами индентирования исследованы размерные эффекты в твердости ГЦК-металлов. Получены размерные зависимости твердости ГЦК-металлов в диапазоне глубин отпечатка от 20 нм до 90 мкм.
Известно, что при глубоком (на много порядков величины) уменьшении характерных размеров R* объекта или порции вещества хотя бы в одном из трех измерений их свойства перестают быть инвариантными относительно R*. Изменения свойств материалов при уменьшении R* могут носить самый различный характер: растущий, падающий, осциллирующий и др. [1]. Поэтому изучение размерных эффектов (РЭ) в ГЦК-металлах может создать предпосылки для улучшения различных их механических и функциональных свойств.
Цель данной работы заключалась в исследовании РЭ в твердости H ГЦК-металлов методами индентирования в широком диапазоне глубины отпечатка h (а следовательно, объема сдеформированной области) от 20 нм до 90 мкм.
В эксперименте использовали образцы ГЦК-металлов - Al, Cu, Ni, Nb. Измерение H в макро- и микрошкале проводили на твердомерах Duramin A300 и ПМТ 3М в диапазоне нагрузок на индентор 1 Н...100 Н и 0,1 Н...1 H соответственно, нанотвердость - на наноиндентометре G200 фирмы MTS (США) в диапазоне нагрузок на индентор 0,015 Н.2 Н. Полученные зависимости lg H(lg h) (h - глубина отпечатка, характеризующая размеры области локальной пластической деформации) были аппроксимированы двумя-тремя линейными участками (рис. 1). Каждая точка на графике является усреднением 10 отдельных значений в области h > 3000 нм и 20.30 - в области 30 нм < h < 3 мкм.
РЭ в твердости в широком диапазоне характерных размеров могут иметь различную природу, чему отвечает наличие на зависимости lgH(lgh) нескольких участков (рис. 1) [2]. В макрообласти, где h > 3500 нм, РЭ в твердости практически отсутствуют (lgH = const для Nb, Ni и Cu, у Al наблюдается рост с h ~ 90 мкм, k = = - 0,17) (рис. 1). В области 40 нм < h < 3,5 мкм выявлен рост H при уменьшении h для Nb, Ni и Cu. Коэффициент наклона k зависимости lgH = f(lgh) для ГЦК-металлов (Al, Cu, Ni, Nb) был существенно меньше (k = = 0,23 ± 0,06), чем в соотношении Холла-Петча (k =
= 0,5) (рис. 1). Такой ход зависимостей 1^ = /(1ф) может быть следствием зарождения геометрически необходимых дислокаций в условиях индентирования и, следовательно, роста градиента деформации при уменьшении к [3]. В нанообласти к < 40 нм наблюдается падение Н, которое может быть вызвано процессами зарождения и движения неравновесных точечных дефектов, тем более эффективных, чем меньше к (недислокационные механизмы пластичности) [4, 5]. Диффузионно'-дислокационные [6] и дислокационно-дискли-национные модели [7] могут описывать образование нанокристаллической структуры под индентором в результате сильной локальной деформации с последующим проскальзыванием и поворотом зерен [8]. Эти модели также предсказывают падение напряжений пластической деформации по мере уменьшения характерных размеров структуры.
Таким образом, в работе выявлены в широком диапазоне глубины отпечатка (от 20 нм до 90 мкм), немонотонные зависимости твердости ГЦК-металлов, установлены границы размерных эффектов разного типа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение,
2008. 496 с.
2. Матка I., Maniks J. Size effects in micro- and nanoscale Indentation // Acta Mater. 2006. V. 54. P. 2049-2056.
3. Fleck N.A., Hatchinson J.W. A phenomenological theory for strain gradient effects in plasticity // J. Mech. Phys. Solids. 1993. V. 41. P. 1825-1857.
4. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. 312 с.
5. Trelewicz J. R., Schuh C.A. The Hall-Petch breakdown in nanocrystalline metals: A crossover to glass-like deformation // Acta Materialia 2007. V. 55. P. 594-5958.
6. Колобов Ю.Р. Диффузионно контролируемые процессы на границах зерен и пластичность металлических поликристаллов. Новосибирск: Наука, СО РАН, 1998. 184 с.
7. Romanov A.E., Kolesnikova A.L., Ovid'ko I.A., Aifantis E.C. Disclina-tion in nanocrystalline materials: Manifestation of the relay mechanism // Materials Scince & Engineering. 2009. V. A503. P. 62-67.
8. Андриевский Р.А., Глезер А.М. Прочность наноструктур // УФН.
2009. Т. 179. № 4. С. 337-358.
И, нм
оз
с
(—
Ьц
Igh А, нм
30 100 300 1000 3000 1000030000
ез
а
h, нм
30 100 300 1000 3000 10000 30000 90000
с
U
1,5
lg/j lg h
os
d
u
lg/l
Рис. 1. Зависимости твердости ГЦК-металлов от глубины отпечатка h
h, нм
БЛАГОДАРНОСТИ: НИР проведена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Golovin Yu.I., Vasyukov V.M., Stolyarov R.A., Shukli-nov A.V., Polyakov L.E. Size effects in fcc metals
Size effects in hardness in fcc metals were investigated by method of indentation. Size dependences of fcc metals hardness were obtained in depth scale from 20 nm to 90 mkm.
Key words: size effect in nano-mikro indentation; fcc metals; theory of plasticity.
