Влияние магнитного поля на микромеханизмы пластической деформации ионных кристаллов при динамическом микроиндентировании Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 541.128:541.183:539.89

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МИКРОМЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ МИКРОИНДЕНТИРОВАНИИ

© А.И. Тюрин, В.И. Иволгин, В.В. Коренков, Н.В. Коренкова, С.В. Яковлев

Россия, Тамбов, Государственный университет им. Г.Р. Державина

Tyurin A.I., Ivolgin V.I., Korenkov V.V., Korenkova N.V., Yakovlev S.V. The influence of magnetic field on plastic deformation micromechanisms of ionic crystals in dynamic microindentation test. In the work the influence of pulsed magnetic field on the microhardness and kinetics of the indentation formation in dynamic microindentation was investigated. The effect of the preliminary treatment of the crystals in the magnetic field was shown to appear on the fourth stage of indentation forming - on the dislocation one.

Влиянию предварительной экспозиции «немагнитных» веществ в магнитном поле (МП) в последние годы уделяется все большее внимание. При этом МП с индукцией B ~ 1 Тл меняет многие пластические характеристики даже таких «немагнитных» веществ, как ионные кристаллы, диамагнитные металлы, полимеры и др. Наряду с подвижностью дислокаций [1], коэффициентом деформационного упрочнения [2], пределом текучести, декрементом затухания колебаний [3] меняется и микротвердость материала [4]. Для ряда магнитопластических эффектов, например, увеличения подвижности индивидуальных дислокаций после обработки кристалла в МП, найдено качественно непротиворечивое объяснение [2].

Однако влияние МП на более сложные характеристики, например, микротвердость, до конца не выяснено. Это обусловлено в основном тем, что микротвердость сама по себе является сложной и трудно интерпретируемой характеристикой материала. В общем случае ее не удается однозначно связать с каким-либо другим макроскопическим свойством твердого тела.

Так, в работах [5-8] было показано, что отпечаток даже в мягких ионных кристаллах (NaCl, KCl) может образовываться за счет нескольких микромеханизмов, последовательно сменяющих друг друга при погружении индентора. При этом на начальных стадиях погружения лидирующими являются моноатомные механизмы пластического течения, а на завершающих - дислокационные.

Представляет интерес выяснить, на какие именно стадии и микромеханизмы массопереноса влияют остаточные изменения структуры, наведенные МП.

Исследования проводились по новой методике на аппаратуре, позволяющей непрерывно in situ с высоким временным (50 мкс) и пространственным (20 нм) разрешением исследовать динамику локальной деформации при внедрении в материал жесткого индентора, которая дала принципиально новые результаты о динамике формирования отпечатков в различных исследованных материалах [5-9].

Эксперименты проводились при комнатной температуре на кристаллах KCl. В работе исследовались

кристаллы предварительно обработанные в импульсном магнитном поле (B = 24 Тл), и необработанные кристаллы. Влияние предварительной обработки магнитным полем обнаруживает изменение твердости исследуемого материала. Так, после обработки кристаллов KCl в магнитном поле отмечается уменьшение твердости и изменение кинетики формирования отпечатка по сравнению с необработанным кристаллом.

Из типичных зависимостей кинетики формирования отпечатка, приведенных на рис. 1, следует, что динамические зависимости в обработанных и необработанных кристаллах на начальных стадиях совпадают с точностью до погрешностей эксперимента, а существенные различия проявляются на заключительных стадиях формирования отпечатка.

Знание реальной кинетики глубины погружения индентора h = f(t) позволяет определять кинетические характеристики процесса формирования отпечатка в обработанных и необработанных кристаллах: скорость погружения индентора v = dh / dt; значения действующих сил F(t) = Fo(t) - m(d2h / dt2) и динамической твердости материала - Hd = A F(t) / h2(t). Здесь A - числовой коэффициент, учитывающий форму индентора (для используемого в работе индентора Викккерса A = = 37,84), m - масса штока с индентором, Fo - сила, прикладываемая к штоку с индентором со стороны силового привода. Динамические значения всех указанных величин для обработанных и необработанных кристаллов приведены на рис 1. Перестроение кинетических кривых погружения индентора в полулогарифмических координатах ln(v) = ft) (рис. 2) обнаруживает ряд прямолинейных участков, которые можно отождествить с отдельными стадиями в процессе формирования отпечатка. Так, для исследованных кристаллов как обработанных, так и необработанных МП можно выделить до пяти отдельных стадий, отличающихся предъэкспонен-тами, показателями степени, силовыми и скоростными зависимостями.

Для всех исследованных стадий в обработанных и необработанных кристаллах KCl определены их временные границы, силовые и активационные характеристики (энергия активации и активационный объем).

Рис. 1. Зависимости к = Д/), V = йк / А = /(/), Р = Д/), Н=_/(/) на активной стадии внедрения индентора в кристаллы КС1.

• - кристаллы, необработанные МП; о - кристаллы, предварительно обработанные МП. Нагрузка на индентор - 0,23 Н

0

10

15

t, с

20

Рис. 2. Зависимости lnv = ft) при внедрения индентора в кристаллы KCl. I, II, III, IV, V - соответствует первой, второй, третьей, четвертой и пятой стадиям погружения индентора. • - кристаллы, необработанные МП; о - кристаллы, предварительно обработанные МП. Нагрузка на индентор - 0,23 Н.

Так, первая стадия занимает 3 ± 1 мс и характеризуется ростом скорости погружения индентора, контактных напряжений и значений динамической твердости. Вторая стадия занимает до 10 ± 2 мс, третья - до 50 ± 10 мс, четвертая - до 3 ± 1 с, пятая - до сотен секунд.

Числовые значения активационного объема, определенные для обоих типов кристаллов для второй стадии формирования отпечатка, составляют величину порядка 10-30 м3 и сопоставимы с объемом, зани-

маемым ионом в решетке, начиная с третьей стадии, величина активационного объема возрастает до значений порядка 10-28 м3, т. е. принимает значения, характерные для дислокационных механизмов пластической деформации.

Анализ полученных данных показал, что первая стадия характеризуется малыми размерами отпечатка, ростом скорости внедрения индентора, высокими значениями скоростей относительной деформации и значений контактных напряжений (примерно на три порядка выше предела текучести материала) и, по-видимому, обусловлена тем, что на ней преобладает упругая деформация материала. Это согласуется с исследованиями и выводами ряда работ по статическому наноиндентирова-нию в области малых нагрузок [10-11].

На второй стадии индентирования (в обработанных и необработанных кристаллах), которая характеризуется высокими значениями контактных напряжений, скоростей относительной деформации, величины динамической твердости (примерно на порядок превышающей значения статической твердости), а так же малыми значениями активационного объема - доминирующими являются моноатомные механизмы массопереноса. Начиная с третьей стадии, когда происходит значительное уменьшение величины контактных напряжений, скоростей относительной деформации, величины динамической твердости (которая становится сопоставимой со статической твердостью), а также увеличением значений активационного объема - доминирующую роль в процессе массопереноса начинают играть процессы зарождения, движения и перераспределения дислокаций в дислокационной розетке.

Сравнение кинетики, силовых и активационных характеристик выявленных стадий показывает, что количество выявляемых стадий в обработанных и необработанных кристаллах не изменяется. Отличие наблюдается только в характере четвертой стадии.

Учитывая дислокационный характер четвертой стадии и увеличение подвижности индивидуальных дислокаций (увеличение их пробегов [1-2]) после предварительной обработка кристаллов в МП, можно предположить, что влияние МП именно на четвертую стадию обусловлено определяющим вкладом в формирование отпечатка на этой стадии дислокационной пластичности, обусловленной преимущественным движением дислокаций от места укола в объем материала. Этот результат согласуется с данными, полученными ранее [12], по регистрации кинетики электрического дипольного момента P, приобретаемого образцом в процессе индентирования. Эти данные свидетельствуют о том, что наибольший прирост величины P, обусловленный движением электрически заряженных краевых дислокаций, происходит на заключительных, медленных стадиях формирования отпечатка.

Таким образом, в работе показано влияние предварительной обработки кристаллов KCl в МП на динамику формирования отпечатка. Выявлен характер и определены конкретные стадии, а также доминирующие микромеханизмы массопереноса при индентировании, на которые оказывается влияние предварительной обработки МП.

ЛИТЕРАТУРА

1. Альшиц В.И., Даринская Е.В., Петржик Е.А. // ФТТ. 1991. Т. 33.

№ 10. С. 3001.

2. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б. // ЖЭТФ. 1999. Т. 115. Вып. 2. С. 1.

3. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б. // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 61. Вып. 7. С. 583.

4. Golovin Yu.I., Morgunov R.B., Lopatin D.V. and Baskakov A.A. // Phys. Stat. Sol. (a). 1997. V. 160. R 3.

5. Головин Ю.И., Тюрин А.И. // Письма в ЖЭТФ. 1994. Т. 60. Вып. 10. С. 722.

6. Головин Ю.И., Тюрин А.И. // Изв. РАН (Сер. физическая). 1995. T. 59. С. 49.

7. Головин Ю.И., Тюрин А.И. // Кристаллография. 1995. Т. 40. Вып. 5. С. 884.

8. Головин Ю.И., Тюрин А.И. // ФТТ. 1996. № 6. С. 1812.

9. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин А.И. // ФТТ. 1997. № 2. С. 318.

10. Murakami Y., Tanaka K., Itokazu M. and Shimamoto A. // Philos. Mag. A. 1994. V. 69. № 6. P. 1131.

11. Page T.F., Oliver W.C. and Hargue CJ. // J. Mater. Res. 1992. V. 7. № 2. P. 450.

12. Boyarskaya Yu.S., Golovin Yu.I., Kats M.S., Tyurin A.I. and Shibkov // Phys. Stat. Sol. (a) 1992. V. 130. P. 319.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 98-02-16549).

УДК 620.178.15.4

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПЛАСТИЧНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ГАЗОФАЗНЫХ ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ © В.В. Афонин, В.Ф. Попов*

Россия, Тамбов, Высшее военное командное училище химической защиты * Государственный технический университет

Afonin V.V., Popov V.F. A surface micro-plasticity research into gas-faced chromium covers. The research is conducted into samples obtained by deposition of amorphous chromium covers on an aluminium alloy. The technique of the experiments is based on micro-hardness indentation and analysis of the obtained diaphragms of loading. It is established, that the highest plasticity are characteristic of the covers with the deposition temperature of 400-430° C. Increase in temperature of the substrate leads to double reduction of the surface micro-plasticity.

Согласно современным представлениям о природе трения и изнашивания, необходимо, чтобы поверхность осаждаемого покрытия имела достаточную пластичность. Это обеспечивает соблюдение правила положительного градиента механических свойств и высокую износостойкость в условиях граничного трения.

Для исследования микропластичности и релаксационных свойств газофазных хромовых покрытий (ГХП) использовалась методика, разработанная в ГосНИИ машиноведения [1-4]. Она основывается на использовании установки УПМ-1, созданной на базе микротвердомера ПМТ-3.

Принципиальной особенностью прибора является непрерывная регистрация движения индентора в испытываемом покрытии под действием приложенной нагрузки, возрастающей от нуля до конечного значения (1,2 Н). При испытании использовалось автоматическое нагружение с плавным регулированием скорости перемещения инден-тора в диапазоне от 0,05-Ю-6 до 10-10-6 м/с. Скорость приложения нагрузки составила 0,04 Н/с. Пределы измеряемых глубин отпечатка - 0,1 ^10 мкм.

Результаты испытания представляются в виде диаграммы «Нагрузка - глубина внедрения» (рис. 1). Участок I - участок нагружения - представляет собой функциональную зависимость величины нагрузки Р, необходимой для вдавливания индентора на глубину к.

На этом участке определялась микротвердость под нагрузкой («невосстановленная» микротвердость). Эта твердость служит характеристикой сопротивления материала пластической и упругой деформации в условиях вдавливания.

Участок разгружения III дает информацию об упругих свойствах испытуемого покрытия. Изменение глу-

бины отпечатка при снятии нагрузки («упругое» восстановление) вызывается релаксацией энергии, накопленной в покрытии в процессе деформации при вдавливании индентора.

Кривая разгружения имеет два характерных участка: 1 - начальный, близкий к линейному, где снимается 70-90 % нагрузки; 2 - заключительный, где релаксация протекает за счет необратимой деформации (пластическая деформация, хрупкое разрушение). На участке 1 происходит преимущественно релаксация упругой энергии в отличие от участка 2. Четкой границы между этими участками может и не быть.

Участок микроползучести покрытия II характеризует прирост глубины отпечатка при выдержке образцов под нагрузкой.

Аполн.=Ао. ф.+Арел II

АО.ф 1 У J Ар ел.

h остаточ. *h

h внедрения

Рис. 1. Диаграмма «Нагрузка - глубина внедрения»