Структура локально деформированных областей ионных кристаллов при микроиндентировании Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 620.178.152.3

СТРУКТУРА ЛОКАЛЬНО ДЕФОРМИРОВАННЫХ ОБЛАСТЕЙ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ ПРИ МИКРОИНДЕНТИРОВАНИИ

© В.А. Федоров, Л.Г. Карыев, А.Н. Глушков, Р.А. Кириллов

Fcodorov V.A., Kariev L.G., Glushkov A.N.. Kirillov R. A. Structure of locally deformed areas of ionic crystals at microin-dcntation. The appearance of dislocation structure, appeared at indentation, depends from mechanism of imprint formation, from elements of gliding and type of side which is indented. The values of localized slip bands arc evaluated at j 110)45 к ( 110!«, at suggested method of microindcntation.

ВВЕДЕНИЕ

Для понимания механизма деформирования кристаллов при вдавливании нндентора необходимо изучить закономерности распределения дислокаций около отпечатка в объеме кристалла. В работах [1,2] методом последовательного сполировывання и травления изучено распределение дислокаций под отпечатками, полученными при вдавливании нндентора в грань (001) монокристаллов ЫР, и сделан вывод, что развитие деформации вглубь кристалла происходит по плоскостям {110)45, образующим пирамиду с вершиной у поверхности кристалла. Однако в указанных работах ничего не говорится о соотношении длин дислокационных лучей, образованных скольжением дислокаций в плоскостях {110}« и {I 10)9о.

В связи с этим были поставлены задачи: I) разработать метод, позволяющий определять величину локализованных полос скольжения по {110!45 под отпечатком для различных ЩГК; 2) сравнить ее с величиной локализованных полос скольжения по {110}^о в зависимости от: а) ориентации нндентора относительно кристаллографических направлений образца; б) концентрации примесей в образце; в) предварительной термической обработки образцов (состариванне).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В опытах использовали монокристаллы ЫР (10 3 вес.% по Са2\ МБ:\ Ва2') и ЫаС1 (10 5 - 10 2 вес.% по Ре2', С г2 *). Размеры образцов 4x10x20 мм. Эксперименты проводили при температуре 20 °С на микротвердомере ПМТ-3 со стандартным индентором Виккерса. Нагрузку на индентор изменяли в пределах 5 < Р < 60 г. Низкотемпературная обработка кристаллов (состаривание) проводилась при температуре 100 °С в течение 100 ч. Во всех опытах использовали свежие поверхности скола.

Эксперименты проводили по следующей методике (рис. 1). Действием лезвия ножа на торец кристалла вводили по (010) трещину. Вдоль линии русла трещины со стороны неразрушенной части кристалла индентором наносили отпечатки. Затем ударом ножа в устье введенной макротрещины кристалл раскалывали.

Рис. 1. Схема проведения опытов: I - индентирусмая поверхность (001) кристалла; 2 - след, предполагаемой трешнна скола; 3 - отпечаток нндентора

При этом трещина скола пересекала отпечаток в заранее определенном месте. Дислокационную структуру, возникающую вокруг отпечатка, выявляли методом избирательного травления на поверхности (001) и профиля отпечатка на поверхности (010).

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Результаты опытов представлены на рис. 2. Видно, что на гранях (001) и (010) наблюдаются ряды дислокационных ямок травления в направлениях <110>.

Для мягких кристаллов ИаС1 (10 2 вес.%) величина локализованных полос скольжения больше, чем для более твердых ир (10 3 вес.%) (рис. 3). Влияние ориентации нндентора относительно кристаллографических направлений образца на длину локализованных полос скольжения следующее: длина лучей по {110}.#) и {110)45 больше для ориентации I I <100> (¿/-диагональ отпечатка), чем для ориентации <1 I I <110> на - 15 % (рис. 4).

Д|я очищенных кристаллов ИаС1 (10 5 вес.%) лучи по {110}45 и {110)90 оказались длиннее, чем для кристаллов ЫаС1 (10 2 вес.%), причем эта разница тем значительнее, чем больше нагрузка на индентор (рис. 5).

Состаривание кристаллов ЫаС1 (10 2 вес.%) приводит к незначительному увеличению (~ на 3 + 6 %) длины лучей по {110)45 и {110)90 Для данного интервала нагрузок (рис. 6).

Во всех экспериментах лучи {110)45 на ~ 15 + 20 % ДЛИННее Лучей {110)9о.

30 мкм

30 мкм

Ц мкм 180

150

120

90

60

б)

Рис. 2. Вид дислокационной структуры монокристалла ЫаС1 (10 2 вес.%) вокруг отпечатка индентора (Р = 5 г): а - грань (001), б - грань (010)

Ь, МКМ

150 120 90 60

0 10 20 30 40 Р,г

Рис. 3. Зависимость длины локализованных полос скольжения {110}«» (1, 3) и {110}45 (2, 4) от нагрузки на нндентор для ЫИ (10 ' всс.%) (1. 2) и ЫаС1 (10 1 всс.%) (3,4); (</ | | <100>)

Рис. 4. Зависимость длины локализованных полос скольжения 1110)50(1. 3) и {110)45 (2, 4) от нагрузки на индентор для ЫаС'1 (10 2 всс.%) и ориентации индентора <1 I | <100> (1, 2) и с! I I <110> (3,4)

0 10 20 30 40 Р,г

Рис. 5. Зависимость длины локализованных полос скольжения ! 110)9о (1, 3) и {110)45 (2,4) от нагрузки на индентор для ЫаС1 (10 2 всс.%) (1, 2) и №С1 (10 ■' вес.%) (3, 4); (</ | | <100>)

0 10 20 30 40 Р, г

Рис. 6. Зависимость длины локализованных полос скольжения {110)«> (1,3) и {110}45 (2,4) от нагрузки на индентор для ЫаС1 (10 2 вес.%) (I, 2) и ЫаС1 (10 2 вес.%. состаренный) (3, 4);

(г/ I I <100>)

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В работе [3] отмечено, что доминирующую роль в образовании отпечатка при внедрении нндентора в материал с решеткой типа №С1 играют плоскости скольжения {I 10¡45, по которым происходит пластическое движение материала внутрь и наружу образца. На основании этого можно дать качественное объяснение зависимости длины лучей дислокационной розетки от ориентации индентора. При ориентации отпечатков | <1 10> в ПЛОСКОСТЯХ скольжения {I 10}45 возникают большие касательные напряжения, обусловливающие движение вннтовых компонент дислокационных петель в этих плоскостях, чем при ориентации </ I I <100>. Из-за более интенсивной деформации по плоскостям (110}45 при ориентации с/ || < 110> развитие деформации по краевым плоскостям {110) .*> менее интенсивно, чем для ориентации (I I I <100>. Поэтому краевые лучи розеток на поверхности (001) при ориентации </ I I <110> короче, а винтовые длиннее, чем при ориентации

(I I I <100.

Однако в работе [3] ничего не говорится о длине краевых лучей дислокационной розетки, наблюдаемой вокруг профиля отпечатка, в плоскости (010). Экспериментально установлено, что длина этих краевых лучей, то есть лучей в плоскостях {110) 45, наблюдаемых на поверхности (010), также больше для случая ориентации нндентора (I I | <100> в сравнении с ориентацией </ I | <110>. По-видимому, при ориентации индентора г/ | | <100> касательные напряжения в плоскостях ¡110}45, обусловливающие движение краевых компонент дислокационных петель в плоскостях {110145. больше, чем при ориентации индентора

<I I I <110>.

Значительное увеличение длины краевых лучей для очищенных (10 5 вес.%) кристаллов по (110}^ и {110}45, чем для кристаллов с концентрацией примесей 10 2 вес.%, объясняется большей подвижностью генерируемых при индентировании дислокаций, обусловленной меньшей концентрацией примесных дефектов в кристалле.

В результате состаривания происходит образование примесных комплексов, в связи с чем уменьшается концентрация примесных и собственных точечных де-

фектов в участках кристалла между этими крупными комплексами. Напряжение трения при скольжении дислокаций в этих участках также уменьшается, что и обусловливает увеличение длины дислокационных лучей в опытах с состаренными кристаллами.

В теории упругости найдено напряженное состояние, возникающее при действии нормальной сосредоточенной силы на упругое изотропное полупространство, ограниченное плоскостью [4, 5]. Используя выражения для компонент тензора напряжений, можно вычислить касательные напряжения, возникающие в плоскостях скольжения вдоль направлений скольжения при действии сосредоточенной силы на грань (001). При этом сравнение напряжений для плоскостей {110U и {110)45 показывает, что при действии сосредоточенной нагрузки создаются более благоприятные условия для развития деформации вглубь кристалла по плоскостям {110}45, чем по {110)9о [3], что и подтверждает эксперимент.

ВЫВОДЫ

Таким образом, экспериментально показано, что для всех щелочно-галоидных кристаллов дислокационная структура в зоне индентнровання остается постоянной, величина локализованных полос скольжения по {110)45 на 15-20 % больше {110}^ независимо от ориентации индентора, концентрации примесей и предварительной термической обработки кристаллов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Боярская Ю.С. Деформирование кристаллов при испытании на микротвердость. Кишинев: Штиинца, 1972. 158 с.

2. I¡¡оскольская М.П.. Вап-Янь-В)пъ, ГуШу-Чжао. О расположении дислокаций около отпечатка индентора на гранях кристаллов типа каменной соли // Кристаллография. 1961. Т. 6. Вып. 2. С. 277-279.

3. Боярская Ю.С.. Грабко Д.З.. Кац М.С. Физика процессов мнкро-индентнровання. Кишинев: Штиинца, 1986. 296 с.

4. Филонсико-Бородич М.М. Теория упругости. М.: Фнтматпп. 1959.

5. Блох В.И. Теория упругости. Харьков: Изд-во Харьков, ун-та. 1964.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант № 02-01-01173).