CC BY
57
УДК 539.3
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТНОГО И МАСШТАБНОГО ФАКТОРОВ НА СООТНОШЕНИЕ УПРУГОЙ И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАНО- И МИКРОИНДЕНТИРОВАНИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
© А.И. Тюрин, М.О. Воробьев, В.В. Шиндяпин, В.И. Иволгин, Э.А. Бойцов, Г.Ф. Авдеева, А.С. Березнер, А.М. Купряшкин, И.А. Шуварин, В.В. Хлебников
Ключевые слова: динамическое наноиндентирование; упругая деформация; пластическая деформация; упругопластический переход; точечные дефекты.
В статье обсуждается влияние скоростного и масштабного факторов на соотношение упругой и пластической деформации при динамическом наноиндентировании, а также условия упруго-пластического перехода при высокоскоростной наноконтактной деформации.
Изучение видов деформирования и микромеханизмов пластической деформации материала в микро- и нанообъемах в настоящее время приобретает все большую актуальность в связи с развитием и применением нанотехнологий при разработке конкретных устройств (НЭМС, МЭМС и др.), а также изучении природы размерных и скоростных эффектов при переходе на новый иерархический уровень размеров и увеличении скоростей относительной деформации (вплоть до 106 с-1) [18]. Вместе с тем наноконтактная деформация при различных видах взаимодействия чрезвычайно широко распространена в природе и в технике. Она возникает во многих практически важных ситуациях, например, при сухом трении микрошероховатых тел, абразивном и эрозионном износе, в скользящих электрических контактах, при шлифовке, тонком помоле материала в различных мельницах и в других процессах [1-4].
При этом поведение материала в динамических микро-/наноконтактах во многом зависит от того, какого типа деформация реализуется при взаимодействии: чисто упругая или упруго-пластическая. Критические нагрузки и напряжения упруго-пластического перехода, т. е. перехода от чисто упругой деформации к упруго-пластической, определяются механизмами зарождения и движения структурных дефектов в материале (в т. ч. атомными), а также зависят от размеров контактной области и скорости деформирования. Однако, несмотря на достаточно большой объем исследований по изучению нано- и микроконтактной деформации, в отечественной и зарубежной печати до сих пор отсутствует информация о роли масштабного и скоростного факторов в доли упругой и пластической деформации при динамических наноконтактах, а также влияния скорости деформирования на условия упруго-пластического перехода для различных материалов [1-4].
Поэтому целью работы являлось разделение вкладов упругой и пластической деформаций в общей деформации материала в динамических наноконтактах, исследование влияния масштабного и скоростного
факторов на доли упругой и пластической деформации при динамическом наноиндентировании, а также установление номенклатуры структурных дефектов и микромеханизмов пластической деформации на начальных стадиях пластичности.
Смоделировать и исследовать поведение материала в динамических наноконтактах можно методами динамического наноиндентирования. Работа выполнялась на динамическом наноиндентометре, разработанном и изготовленном в НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» ТГУ им. Г.Р. Державина. В качестве индентора использовали алмазную пирамидку Берковича.
В качестве исследуемых материалов были выбраны ионные монокристаллы (ЬіЕ, Ое, БІ), металлы (А1) и полимеры (ПММА).
Для исследования влияния масштабного фактора на соотношение упругой и пластической деформации при формировании отпечатка к индентору прикладывался симметричный треугольный импульс нагрузки с варьируемой амплитудой (от единиц до сотен миллиньютон). Это позволяло исследовать область деформирования материала с характерными размерами от единиц до тысяч нанометров (в зависимости от типа исследуемого материала). Типичные зависимости, для ряда исследованных материалов, в виде характерных Р(Н) диаграмм представлены на рис. 1.
Величина пластической глубины в полной глубине отпечатка определялась из полученных Р(Н) диаграмм (рис. 1) по методике, предложенной авторами [6], для вычисления твердости материала при наноиндентиро-вании. Величина упругого прогиба материала определялась путем вычитания пластической глубины из полной глубины отпечатка, а соответствующие доли упругой и пластической деформации - как отношение упругой и пластической составляющих к полной глубине отпечатка. Результаты зависимостей отношения упругой и пластической составляющих к полной глубине отпечатка в зависимости от максимальной глубины отпечатка приведены на рис. 2.
Полученные данные показывают, что при больших глубинах внедрения индентора (от единиц микрон до 100-400 нм, в зависимости от типа исследуемого материала, см. рис. 2) значения упругой и пластической составляющих в полной деформации материала не изменяются, сохраняя постоянные процентные соотношения (от 10 до 70 %, в зависимости от величины приложенной нагрузки и типа исследуемого материала). При переходе к малым размерам зоны деформирования к < 100-400 нм (в зависимости от типа исследуемого
материала) наблюдается отклонение долей деформации в отпечатке от постоянной величины. При этом упругая деформация начинает расти, приближаясь к 100 % (при некотором критическом значении глубины отпечатка ккр), а пластическая - уменьшаться, стремясь к нулю (при достижении ккр). В исследуемых материалах величина ккр зависела от типа исследуемого материала и его твердости. Уменьшение твердости приводило к уменьшению ккр.
/|,МКМ
а)
б)
в)
1)111, мкм
г)
д)
Рис. 1. Характерные зависимости приложенной силы от смещения индентора в материале (а - ПБ, б - А1, в - Ое, г -ный кварц)
81, д - плавле-
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
а)
І *
Ge
• hc/hmax = f(limax) o hy/hmax = f(hmax)
0,2
0,4
0,6
hmax, MKM B)
0,8
0,7
*
I 0,6 Ÿa,i S °-4
Б
її
■e 0,2 0.1 0
0,8
1,2
б)
/їда, MKM
г)
Плавленный кварц
0 0,05 0,1 0,15 ОД 0,25 0*3 0«35 0,4 0,45 0,5
И шах, якм
д)
Рис. 2. Зависимость отношений упругой и пластической деформаций к полной глубине отпечатка от максимальной глубины отпечатка: 1 - кс/ктах (доля пластической деформации в полной глубине отпечатка); 2 - к/ктах (доля упругой деформации в полной глубине отпечатка) (а - ЫБ, б - А1, в - Ое, г - 81, д - плавленый кварц)
Таким образом, приведенные на рис. 2 данные показывают влияние масштабного фактора на долю упругой и пластической составляющих в полной глубине отпечатка, и определены количественные доли этих величин.
Исследование влияния скоростного фактора на величину hKp, которая характеризует переход от чисто упругой к упруго-пластической деформации (т. е. величину hKp, соответствующую упруго-пластическому переходу), при наноиндентировании осуществляли путем динамического индентирования с регулируемой линейной скоростью и движения индентора перед ин-дентированием и регистрацией силы сопротивления внедрения индентора P(f) и нормального перемещения индентора h(f) с высоким временным (до 0,3 мкс) и
пространственным (до 1 нм) разрешением. Кинетика перемещения индентора h(t) и величины действующей силы P(t) регистрировались независимыми высокоскоростными каналами регистрации.
Локальное нагружение пирамидальными инденто-рами характеризуется ростом характерных размеров R области сильной деформации и одновременным падением скорости относительной деформации
J ■: ---- ■: ----. Проводимые оценки величины é
hit) Р Д Ц показывают, что на начальной стадии нагружения, когда величина h составляет 10-100 нм (что соответствует величине упруго-пластического перехода для ряда материалов hKp) даже при линейной скорости перемещения индентора и ~ 1 см/с величина é может дости-
гать значений 10б-107 с-1, что сопоставимо со скоростью деформирования при взрыве ВВ на поверхности образца.
Ввиду относительно большой массы подвижных частей наноиндентометра (m = 100 г) и значительной накопленной энергии (от единиц до десятков мДж) скорость индентора, полученная перед его соприкосновением с материалом, на начальных этапах внедрения индентора (до нескольких сотен нм) оставалась практически постоянной, т. е. реализовывался «жесткий» режим нагружения, при котором устройство задает постоянную скорость линейной деформации.
Перестроение полученных зависимостей P(f) и h(f) позволяет строить типичные P(h) диаграммы, исключая из рассмотрения координату f. Полученные результаты на примере монокристаллов LiF для различных скоростей перемещения индентора на начальной стадии его внедрения в материал показаны на рис. З.
Рис. 3. Начальные участки типичных P(h) диаграмм при ин-дентировании монокристаллов LiF с различной скоростью перемещения индентора v: 1 - vl = 1б мм/с; 2 - v2 = 20 мм/с; 3 - v3 = 2б мм/с
Рис. 4. Зависимость силы P, действующей на материал от глубины внедрения индентора h в сравнении с законом Герца P ~ h3/2 для LiF
Рис. 5. Зависимость глубины упруго-пластического перехода от начальной скорости движения индентора
Из результатов экспериментов следует, что на начальной стадии погружения (до некоторой критической величины Р=РС) зависимость Р(к) полностью совпадает с зависимостью Р(к3/2) (рис. 4). Поскольку любой пирамидальный индентор имеет притупление, которое можно аппроксимировать сферой с эквивалентным радиусом Р, начальная стадия погружения проходила в
Р = - ЕД1/2 А3/2
э
здесь
-1
соответствии с законом Герца
приведенный модуль Юнга, Et - модуль Юнга материала индентора, Em - модуль Юнга материала образца. R ~ 150 нм - радиус притупления индентора, использовавшегося в эксперименте.
Поэтому совпадение начальных участков P(h) диаграмм с законом Герца (рис. 4) свидетельствует об упругом характере деформирования материала на этих участках.
Исследование скоростных зависимостей показывает, что смена упругой деформации на упругопластическую (отклонение от закона Герца) наступает тем позже, чем выше и (рис. 5).
Проведение активационного анализа показывает, что величина активационного объема у имеет характерные стадии (масштабно зависимую и масштабно независимую), которые соответствуют масштабнозависимой и масштабнонезависимой стадиям доли пластической деформации в полной глубине отпечатка hc/hmax. Характерные зависимости величин hc/hmax и Y, на примере монокристаллов Si, показаны на рис. 2г. Числовые значения величины у на масштабнозависимой стадии зависимости hc/hmax = f(hmax) свидетельствует в пользу моноатомных микромеханизмов пластичности. С увеличением размера зоны деформирования (ростом hmax) и выходом на насыщение зависимости hc/hmax = f(hmax) величина у несколько возрастает. При этом, например для монокристаллов Si, величина у остается еще много меньше (см. рис. 2г) числовых значений, характерных для дислокационных механизмов пластичности. Числовые значения величины у, для всех исследованных материалов, оказались порядка атомного объема, из чего следует, что лимитирующей стадией
начальной пластичности в этих материалах являются процессы зарождения и перемещения точечных дефектов.
Таким образом, в работе исследована доля упругой и пластической деформации в динамических наноконтактах, определены количественные доли каждого вида деформации в зависимости от масштабного и скоростного факторов, выявлены отдельные стадии нанокон-тактной деформации (стадия чисто упругой деформации и стадия упруго-пластической деформации, которая по поведению кc/кmax = f(кmax) и у разбивается на масштабнозависимую и масштабнонезависимую), проведен активационный анализ и предложены возможные микромеханизмы начальных стадий пластической деформации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. 324 с.
2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2008. 496 с.
3. Springer Handbook of Nanotechnology / ed. by B. Bhushan. N. Y.: Springer, 2008. 1916 p.
4. Nanotribology and Nanomechanics. An Introduction / ed. by B. Bhushan. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2008. 1516 p.
5. Головин Ю.И., Тюрин А.И., Иволгин В.И., Коренков В.В. // ЖТФ. 2000. Т. 70. № 5. с. 82-91.
6. Oliver W.C., Pharr G.M. // J. Mater. Res. 1992. V. 7. № 6. P. 15641583.
7. Головин Ю.И., Дуб С.Н. // Доклады академии наук. 2003. T. 393. №
2. С. 180-183.
8. Головин Ю.И., Дуб С.Н., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин А.И. // ФТТ. 2005. Т. 47. № 6. С. 961-973.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы и финансовой поддержки программы У.М.Н.И.К.
Поступила в редакцию 9 декабря 2010 г.
Tyurin A.I., Vorobyov M.O., Shindyapin V.V., Ivolgin V.I., Boitsov E.A., Avdeyeva G.F., Beresner A.S., Kupryashkin A.M., Shuvarin I.A. Influence of high-speed and scale factors on party of elastic and plastic deformation at dynamic nano-and micro-indentation
The article discusses the influence of high-speed and scale factors on a party of elastic and plastic deformation at dynamic nanoindentation and conditions of elastic - plastic transition in high-speed nanocontact deformation.
Key words: dynamic nanoindentation; elastic deformation; plastic deformation; elastic - plastic transition; dot defects.
