CC BY
74
УДК 5З9.З
ВБЛИЗИ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ. НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ
© Ю.И. Головин
НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия, е-таП: golovin@tsu.tmb.ru
Ключевые слова: прочность; пластичность; твердость; наноиндентирование; размерные эффекты.
В работе обсуждаются возможности использования методов наноиндентирования для определения идеального предела прочности и выяснения особенностей поведения материала вблизи него. В частности, рассматриваются вероятные механизмы потери упругой устойчивости, гомогенного зарождения дислокаций, начальной микропластичности и размерных эффектов в наношкале. Обсуждаются размерные эффекты в пластичности, обусловленные сменой атомных механизмов текучести в наношкале, которые дают возможность вплотную приблизиться к идеальной прочности материала и, возможно, реализовать ее в реальных конструкциях, например в микросистемной технике.
Ясно, что прочность любого материала имеет верхнюю границу. Начиная с 20-х гг. прошлого века она неоднократно рассчитывалась в различных классических и квантовых приближениях и получила название теоретического предела аЛ, или идеальной прочности. С некоторым разбросом, определяющимся принятыми моделями и допущениями, она оказалась близкой к 0,1 модуля Юнга Е для одноосного растяжения и изгиба или модуля сдвига G для касательных напряжений. Одновременно возник вопрос об экспериментальном измерении предельной прочности и создании надлежащих условий для этого. Было предложено несколько подходов к достижению предельно высоких напряжений. Так, около полувека тому назад в Кембриджском университете Гэйном с соавторами была исследована несущая способность материала в наноконтакте (путем нагружения поверхности образца тонкой заостренной проволочкой in situ в колонне просвечивающего электронного микроскопа). На отожженных (!) кристаллах золота были достигнуты предельные упругие напряжения сдвига т = 0,06 G.
В работе обсуждаются возможности использования методов наноиндентирования для определения идеального предела прочности и выяснения особенностей поведения материала вблизи него [1, 2]. В частности, рассматриваются вероятные механизмы потери упругой устойчивости, гомогенного зарождения дислокаций, начальной микропластичности и размерных эффектов в наношкале [3].
Анализ упруго-напряженного состояния под реальным коническим или пирамидальным индентором (обязательно имеющим в вершине некоторый радиус закругления R) свидетельствует, что максимум сдвиговых напряжений при его взаимодействии с гладкой поверхностью образца лежит на глубине ~ 0,5 R. Верхний слой материала, прилегающий к вершине инденто-ра, находится в условиях, близких к всестороннему сжатию. В нем сдвиговые напряжения меньше макси-
мальных в несколько раз. Поэтому область, потенциально склонная к зарождению пластической деформации, заэкранирована от несовершенств поверхности и кончика индентора этими сжимающими напряжениями. Вторым важным для достижения высоких упругих напряжений обстоятельством является малость размеров этой напряженной области. У современных инден-торов Берковича Я составляет несколько десятков нм, что задает масштаб задачи на ранних стадиях его погружения. В области с размерами ~ 10 нм в моно- и обычных поликристаллических материалах с высокой вероятностью отсутствуют какие-либо дефекты структуры (границы зерен, дислокации, микротрещины и т. п.). Фактически, создаются условия для гомогенного зарождения дислокаций, что приводит к очень высоким напряжениям начала течения.
В работе приводятся оригинальные и литературные данные о феноменологии начальной стадии микропла-стической деформации в этих условиях. В большинстве материалов и условий она реализуется в виде скачка деформации (даже в мягких ГЦК-кристаллах). Такой скачок эквивалентен «зубу текучести» в жесткой машине, который демонстрируют некоторые материалы при макроиспытаниях. Совокупность накопленных данных свидетельствует, что этим скачкам соответствует зарождение и расширение нескольких дислокационных петель. Обсуждаются механизмы гомогенного зарождения дислокаций в условиях сильного всестороннего сжатия. В частности, приводятся результаты статистической обработки параметров первого скачка деформации под индентором, которые говорят о наличии у зарождающихся дислокационных петель динамических прекурсоров в виде кластеров межузельных атомов. Они понижают активационный барьер для зарождения петли.
Обсуждается также и возможная самостоятельная роль термодинамически неравновесных точечных дефектов (вакансий и межузельных атомов) в пластиче-
ской деформации. В 1970 г. В. Л. Инденбом предсказал, что при давлениях, выше некоторого критического, поток межузельных атомов в высокоградиентном поле напряжений может превысить поток вакансий. Некоторые косвенные данные свидетельствуют о реализации таких режимов в условиях динамического наноинден-тирования. При этом величина активационного объема у, полученная в результате термоактивационного анализа кинетики погружения индентора, дает значения порядка атомного объема. Это свидетельствует о лимитирующей роли динамики избыточных точечных дефектов на начальной стадии зарождения пластического течения в нанообъемах сильно сжатого материала. Предел текучести при этом приближается к теоретическому значению ~ 0,1 О.
В заключение обсуждаются экспериментальные данные, полученные методом одноосного сжатия наностолбиков материала, вырезанных в колонне двухлучевого электронного микроскопа сфокусированным ионным пучком нанометрового диаметра [4]. Нагружение осуществляли наноиндентором с цилиндрическим наконечником, заканчивающимся плоским торцом. Установленная зависимость предела текучести оу от диаметра образца качественно напоминает соотношение Холла-Петча для поликристаллических материалов оу = °о + , но п имело значение ~ 0,75, существенно
превышающее холл-петчевское ~ 0,5. Авторами этих работ такая зависимость оу^) объясняется тем, что в образцах с малым сечением (<<1 мкм) пластичность определяется не столько скоростью движения дислокаций, сколько скоростью их зарождения и аннигиляции на свободной поверхности. При с1 ~ 10.. .20 нм оу была близка к <ол (настолько, насколько точно известна сама величина ол).
Таким образом, размерные эффекты в пластичности, обусловленные сменой атомных механизмов текучести в наношкале, дают возможность вплотную приблизиться к идеальной прочности материала и, возможно, реализовать ее в реальных конструкциях, например, в микросистемной технике.
В заключение обсуждаются другие возможности современного наноиндентирования, позволяющие реализовывать условие для исследования прочности вблизи теоретического предела [5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. 312 с.
2. Головин Ю.И. // ФТТ. 2008. Т. 50. № 12. С. 213-214.
3. Головин Ю.И. Размерные эффекты в наномеханических свойствах материалов // Перспективные материалы. М.: МИСИС-ТГУ, 2009. С. 141-238.
4. Micro and Nano Mechanical Testing of Materials and Devices. N. Y.: Springer, 2008. 378 р.
5. Nanobiology and Nanomeghanics. An Introduction (Ed. B. Bhushan). Berlin; Heidelberg: Springer-Verlad, 2008. 1516 p.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Golovin Yu.I. Closed to theoretical strength. New capabilities of nanoindentation.
Several approaches to obtain theoretical strength experimentally are discussed. Original data concerning material behavior in nanocontacts, along with loss of stability, dislocation homogeneous nucleation, initial plasticity and size effect mechanisms are presented. It is shown the plasticity size effects caused by change of deformation mechanisms at nanoscale allow to approach an ideal strength of materials closely.
Key words: strength; plasticity; hardness; nanoindentation; size effects.
