CC BY
27
ВКЛАД МАСШТАБНОГО И СКОРОСТНОГО ФАКТОРОВ В ФОРМИРОВАНИЕ ЧИСЛА ТВЕРДОСТИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАНОИНДЕНТИРОВАНИИ
© А.И. Тюрин, В.В. Хлебников
Среди наиболее часто используемых механических характеристик твердых тел твердость и микротвердость, а в последнее время и нанотвердость до сих пор остаются наиболее используемыми, а порой и практически единственно возможными характеристиками оценки механических свойств материала в микро- и нанообъеме. При этом хорошо известно, что многие свойства материала, включая микро- и нанотвердость могут изменяться в зависимости от скорости относительной деформации исследуемого материала, а также с переходом на новый масштабный уровень, то есть проявлять масштабную (зависящую от размера деформируемого материала) и скоростную (зависящую от скорости относительной деформации) зависимости механических характеристик. При внедрении инденто-ра, даже при невысоких значениях величины прикладываемой нагрузки и линейных скоростей перемещения индентора в процессе формирования отпечатка реализуется широкий спектр мгновенных значений скоростей относительной деформации и величин сде-формированного материала (глубин отпечатка). Таким образом мгновенные значения динамической твердости материала включают в себя составляющие как масштабного, так и скоростного факторов, которые необходимо учитывать при оценке механических свойств.
Поэтому цель настоящей работы была в разделении роль масштабного и скоростного факторов в формировании числа твердости при наноиндентированиии ионных и ковалентных кристаллов (КС1, 1лР, ZnS, Ое, СаАв, 1У^О, 80, металлов (А1), сталей (Сталь 10), объемных аморфных металлических сплавов (2г468Т18Си75№И)Ве2715), керамик (2г()2), полимеров (ПММА) и плавленого кварца.
Индентирование осуществляли алмазной пирамидой Берковича под действием треугольного импульса силы с варьируемой амплитудой Ршах и длительностью фронта импульса нагружения - в диапазоне времен т =
10 мс -н 300 с, на динамическом наноиндентометре собственной конструкции. Это обеспечивало эквивалентные условия испытания при различных значениях скорости относительной деформации е к и Hi ~ 1/х. Здесь и - линейная скорость перемещения индентора, h - глубина отпечатка. Отношение текущего значения величины действующей силы Рл к соответствующей площади пластического отпечатка Sd принимали за мгновенное значение величины динамической твердости материала Hd = Pdl Sd. Роль масштабного фактора в определении числа твердости определялась по зависимостям Hst = f(h) при постоянных значениях скорости нагружения dP/dt = const и скорости относительной деформации ё. При этом величины АР/At и 8 выбирались таким образом, чтобы обеспечить практически полное отсутствие влияния этих величин на величину твердости #5,. Знание мгновенных значений Hd и Н,, позволяет определять долю величины динамической твердости материала, лимитируемую скоростным фактором в любой момент времени. Это позволило выделить для исследуемых материалов количественную долю вклада в величину динамической твердости материала Hd двух составляющих - масштабного Hs, и скоростного Hsk факторов.
Таким образом, в достаточно широком диапазоне значений ё (от 10~2 до 102 с"1) и диапазоне глубин пластического отпечатка h (от 20 нм до 1 мкм) разделен вклад масштабного и скоростного факторов в формирование величины числа динамической твердости исследуемых материалов.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 01-02-16573) и Министерства образования РФ, грант в области естественных наук (шифр № Е02-3.4-263).
