Влияние масштабного фактора на коэффициент скоростной чувствительности твердости при динамическом микрои наноиндентировании Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЛИЯНИЕ МАСШТАБНОГО ФАКТОРА НА КОЭФФИЦИЕНТ СКОРОСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТВЕРДОСТИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ МИКРО- И НАНОИНДЕНТИРОВАНИИ

© А.И. Тюрин, В.В. Хлебников

При исследовании различных материалов методами наноиндентирования показана зависимость числа твердости от глубины внедрения индентора, так называемый «масштабный фактор» в твердости. Он заключается в росте числа твердости с уменьшением глубины отпечатка для ряда материалов. При этом практически не исследуется влияние скорости деформирования на величину этого эффекта, хотя из общих соображений следует, что даже при сохранении постоянной линейной скорости внедрения индентора, скорость относительной деформации, определяемая при индентирова-нии как £ и и//г, будет меняться (увеличиваться) с уменьшением глубины отпечатка - /?. Так, при u-const и переходе /? от единиц микрон к десяткам - сотням нанометров величина s возрастет примерно на два порядка величины, а при еще меньшей глубине отпечатка (на уровне единиц нанометров) - до трех порядков величины. Поэтому изменение величины твердости при переходе в глубине отпечатка к единицам - десяткам нанометров может быть обусловлено влиянием как истинно масштабного фактора (как изменение механических свойств материала в тонком приповерхностном слое), так и скоростным фактором (обусловленным переходом к более высоким скоростям относительной деформации материала).

Поэтому цель данной работы заключалась в исследования влияния скорости относительной деформации -Е и глубины внедрения индентора на кинетику формирования отпечатка, величину динамической твердости материала - Hd и коэффициент скоростной чувствительности микротвердости металлов (А1), сталей (Сталь 10), объемных аморфных металлических сплавов (Zr46 8Ti8Cu7>5Ni10Be27>5), ионных и ковалентных кристаллов (KCl, LiF, ZnS, Ge, GaAs, MgO, Si), керамик (Zr02) и полимеров (ПММА) в диапазоне s от 3-10 3 до 102 с-1, перекрывающем около пяти порядков величины, при глубине отпечатка от 30 нм до 1,5 мкм.

Индентирование осуществляли алмазной пирамидой Берковича под действием треугольного импульса силы с варьируемой амплитудой Ртах < 420 мН и длительностью фронта импульса нагружения - в диапазоне времен т = 10 мс -5- 300 с, на специально разработанном динамическом наноиндентометре собственной

конструкции. Это обеспечивало эквивалентные условия испытания при различных значениях е и и//г ~ 1/т. Отношение Рц к соответствующей площади пластического отпечатка Ас принимали за динамическую твердость материала Нл = Рс/Ас.

Здесь

Ас = 24,51гс2 -100 Ьс + 130000 кст - 20000 !гсш +

+ 100000 Исш - 350000 кс 1/16 + 120000 ксЮ2 -

- 120000 кс]1м + 90000 кс',т.

Для всех исследованных материалов установлена зависимость кинетики формирования отпечатка, величины динамической твердости материала и коэффициента скоростной чувствительности динамической твердости от прочностных свойств материала (отношения статической твердости к модулю Юнга исследуемого материала) и глубины отпечатка. Так, например, для кристаллов ЫР (см. рис. 1) коэффициент скоростной чувствительности твердости — т в диапазоне глубин отпечатка от 1000 до 500 нм остается постоянным, а при меньших значениях /г начинает возрастать, увеличиваясь к к = 50 нм в полтора раза.

Рис. 1. Зависимость коэффициента скоростной чувствительности т от глубины пластического отпечатка

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).