CC BY
29
В условиях действия ступенчато-нарастающей нагрузки исследована кинетика формирования отпечатка (рис. 1), определены кинетические (мгновенные значения скорости внедрения индентора - V и скорости относительной деформации - 8), силовые (мгновенные значения среднего контактного напряжения под инден-тором - а) и активационные (величина активационного объема - у) параметры процесса формирования отпечатка. Выявлено, что на каждом этапе постоянства величины приложенной силы при ступенчато-нараста-ющей нагрузке отпечаток формируется в несколько стадий, отличающиеся динамикой формирования отпечатка, характерными временами, кинетическими и активационными параметрами.
Для всех выявленных стадий определены кинетические параметры, а также значения динамической твердости и скорости относительной деформации материала. Проведенный активационный анализ выявленных стадий позволил определить активационные параметры, выявить спектр структурных дефектов и предложить микромеханизмы массопереноса материала из-под индентора.
Показано, что формирование отпечатка при инден-тировании ПММА обусловлено пластической деформацией за счет движения отдельных боковых групп макромолекулы, которые сменяются движением хребтовых звеньев и деформацией всей макромолекулы на завершающих стадиях.
Рис. 1. Зависимость глубины внедрения индентора и приложенной нагрузки от времени, при индентировании ПММА ступенчато-нарастающим импульсом силы
Таким образом, для ПММА в широком интервале температур (от комнатной до Т = 125 °С) и скоростей относительной деформации (от 10-1 до 102 с-1) определена кинетика формирования отпечатка, его стадийность, величина динамической твердости и активационные параметры и предложены микромеханизмы пластичности ПММА при индентировании ступенчато-нарастающим импульсом силы.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 04-02-17198 и Министерства образования РФ, грант в области естественных наук (шифр Е02-3.4-263).
ВЛИЯНИЕ ГЛУБИНЫ И СКОРОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА МИКРОМЕХАНИЗМЫ МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ИНДЕНТИРОВАНИИ ТРЕУГОЛЬНЫМ ИМПУЛЬСОМ СИЛЫ
© В.В. Хлебников
Индентирование, заключающееся во вдавливании жесткого индентора в поверхность с последующим определением микро-, а в последнее время и нанотвердости, продолжает оставаться одним из наиболее распространенных методов исследования механических свойств в поверхностных и приповерхностных слоях, а также в объеме твердых тел.
Это обусловлено тем, что в настоящее время все более актуальными становятся практические разработки создания интегрированных микроэлектромеханиче-ских систем и интеллектуальных микророботов; систем записи, хранения и считывания информации на механических носителях путем нанесения уколов атомарно острыми иголками и другими потребностями нанотехнологии. Кроме того, многие практически важные случаи получения и механической обработки материалов, изготовления из них различных изделий и их дальнейшая эксплуатация (микро- и наноконтактное взаимодействие при сухом трении, механическая шлифовка и полировка, абразивный и эрозивный износ
и т. д.) подразумевают значительную локальную упруго-пластическую деформацию в субмикронных облас-
тях в условиях действия высоких скоростей относительной деформации 8 (более 102 с-1).
Ситуация осложняется тем, что в рассмотренных примерах зона деформации материала достаточно мала и может определяться в микронной или даже в нано-метровой шкале, кроме того, происходящие процессы характеризуются высокими скоростями относительной деформации, их высокой локализацией и малыми временами контакта. Все это делает исследование механических свойств, кинетики и микромеханизмов пластичности деформации различных материалов на уровне отдельных элементарных событий в одном микро- или наноконтакте при действии высоких локальных напряжений достаточно актуальным.
Целью данного исследования было определение величины активационного объема у, его зависимости от глубины пластического отпечатка кс и средней скорости относительной деформации 8 .
В качестве экспериментального материала были выбраны образцы с различной структурой: ионные и ковалентные кристаллы (ЫБ, 2п8, Ое, 81). объемные аморфные металлические сплавы
(7г46 8Т18Си75№10Бе275), керамика (7Ю2) и полимеры (ПММА).
Исследования проводили на наноиндентометре собственной конструкции с высоким пространственным (до 1 нм) и временным (до 50 мкм) разрешением.
Нагружение осуществляли симметричным треугольным импульсом силы Р с варьируемой амплитудой от 20 до 240 мН и длительностью фронта импульса нагрузки Тф от 10 мс до 100 с.
В ходе исследования было установлено, что величина у растет с увеличением кс. При этом можно выделить два этапа: первый этап характеризует значительный рост величины активационного объема у и его зависимость от 8 ; на втором - происходит выход у на насыщение и у практически перестает зависеть от 8 и кс. В процессе сопоставление зависимостей у = у(кс) и а = Акс) (а - коэффициент скоростной чувствительности твердости) было установлено, что они коррелиру-
ют между собой. Так, на первом этапе а заметно уменьшался с увеличением кс, а на втором оставался практически неизменным. Такое соответствие в поведении а и у может свидетельствовать в пользу того, что коэффициент скоростной чувствительности твердости связан с доминирующим механизмом пластической деформации.
Таким образом, для всех исследуемых материалов в данной работе была установлена зависимость у от глубины пластического отпечатка кс и средней скорости относительной деформации 8 при наноиндентирова-нии треугольным импульсом силы.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант №04-02-17198 и Министерства образования РФ, грант в области естественных наук (шифр Е02-3.4-263).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
© В.И. Иволгин, В.Е. Иванов, В.В. Васильев
В настоящей работе предложен экспериментальный метод решения уравнения параболического типа, описывающего процесс линейной теплопроводности в стержне конечной длины. Рассматривается следующая краевая задача.
Найти температуру стержня и = и(х ,Г), удовлетворяющую уравнению
и, = а2ихх - ки, при 0 < х < I, 0 < Г < +да, и условиям
и(х,0) = /(х), 0 < х < I,
их (0,Г)=Н0 [и(0,Г) - и0 ],
их (1,Г) = -н, и(1,г) - и, ], 0 < Г <+ю.
Используя метод Фурье, можно найти аналитическое решение поставленной задачи. Постановка эксперимента позволяет получить наглядное представление о характере изучаемого процесса.
Цель настоящей работы заключалась в создании экспериментального компьютеризированного комплекса, позволяющего воссоздать условия, описываемые в ряде физических задач, связанных с решением уравнения линейной теплопроводности.
В качестве исследуемого объекта использовался алюминиевый стержень конечной длины. Вдоль стержня, в поперечном направлении, были установлены терморезисторы, которые служили датчиками температуры. Сигналы, снимаемые с терморезисторов,
поступали на вход аналого-цифрового преобразователя. Для ввода и вывода информации использовался LPT порт компьютера. Для функционирования экспериментального комплекса была разработана программа, написанная на языке программирования PASCAL.
Данный экспериментальный комплекс позволяет через заданные промежутки времени строить зависимость температуры от координаты, отсчитываемой вдоль оси стержня, а также проводить сравнительный анализ кривых, полученных в разные моменты времени: начало процесса U (x ,0) ^ ход процесса
dU(xj) ^ 0 ^ выход на стационарный режим
dt
dU(x,t) _0. Так как с помощью данного комплекса dt
изучаются реальные тепловые процессы (различие температуры всех точек данного поперечного сечения стержня, наличие неоднородностей в стержне, обусловленных размещением терморезисторов), то имеется возможность наглядно продемонстрировать отличие реальных температурных зависимостей от аналитических, полученных в ходе решения идеализированных задач.
Таким образом, с помощью экспериментального комплекса можно решать реальные физические задачи о распространении тепла в стержне конечной длины, с учетом различных начальных и граничных условий, наглядно демонстрировать процессы линейной теплопроводности, сравнивать их с математическими моделями, а также применять в изучении физико-математических курсов современные компьютерные технологии.
