CC BY
37
УДК 539.3
ВЛИЯНИЕ УФ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕСС МИКРОИНДЕНТИРОВАНИЯ
© А.В. Чиванов, Л.Г. Карыев, Г.В. Новиков
Ключевые слова: микротвердость; трещиностойкость; УФ облучение; упрочнение.
Рассмотрено влияние УФ излучения на изменение микротвердости и трещиностойкости щелочно-галоидных кристаллов и полупроводника GaAs. Приведены экспериментальные результаты по динамике процесса упрочнения и разупрочнения кристаллов при воздействии излучения.
При внедрении произвольно ориентированного ин-дентора в материал разрушение последнего наблюдается крайне редко независимо от величины нагрузки на индентор. Исключение составляют особые условия опыта - низкие температуры, индентирование в ростовых полосах скольжения краевых дислокаций и т. д. Индентирование монокристаллов LiF пирамидой Виккерса приводит к микроразрушениям индентируемой поверхности с вероятностью, равной единице, практически во всем интервале нагрузок при определенной ориентации диагонали отпечатка относительно кристаллографических направлений кристалла [1].
В связи с этим целью работы является экспериментальное определение влияния УФ облучения на микротвердость (Ну) и трещиностойкость (К1с) для кристаллов LiF и GaAs.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В опытах использовали свежевыколотые монокристаллы LiF (10-3 %, Ca+2, Mg+2, Ba+2) и полупровод-
ник GaAs. Размеры образцов LiF - 4x8x20 мм, GaAs -5х5х0,5 мм. Образцы подвергались локальной деформации на приборе ПМТ-3 при комнатной температуре. Укол производился алмазным индентором Виккерса. Нагрузка на индентор составляла 1 Н.
Для определения критического коэффициента интенсивности напряжения К1с использовали полуэмпи-рическую зависимость [2]:
К1с = (0,016 ± 0,004)
где Е - модуль Юнга; И¥ - микротвердость; Р - нагрузка на индентор; с - длина радиальной трещины.
В соответствии с целями работы проведены две серии экспериментов:
1) микроиндентирование образцов при одновременном воздействии УФ облучения;
2) микроиндентирование образцов после УФ облучения.
Время воздействия УФ излучения варьировали от 3 до 60 мин. При этом доза ионизирующего излучения составляла 1,4-28 Дж/м2.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Экспериментально полученная зависимость К1с (а) для LiF (а - угол отклонения диагонали отпечатка относительно направлений <100>) представлена на рис. ^. Видно, что минимальное значение трещиностойкости LiF наблюдается в исходном положении индентора й 11 <100>). Следует отметить, что значение микротвердости возрастает менее значительно, чем трещиностойкость.
а)
Рис. 1. Зависимости микротвердости Ну (1) и трещиностойкости К1с (2) в зависимости от угла поворота диагонали индентора, Р = 1 Н: а) ОБ; б) GaAs
1789
Зависимости Ну (а) и К1с (а) для ОаЛ8 представлены на рис. 1б. Видно, что минимальное значение трещиностойкости ОаЛ8 наблюдается в исходном положении индентора. Для угла а = 30° наблюдается скачок на зависимости трещиностойкости. Для микротвердости наблюдается плавное уменьшение значений.
При ориентации индентора (й II <110>) наблюдается максимальное растрескивание образцов. Именно такая ориентация индентора использовалась во всех опытах по определению растрескивания кристаллов ЬіЕ и ОаЛ8 в соответствии с целями работы.
Из рис. 2а видно, что при выдержке образцов ЬіЕ под нагрузкой и одновременном накоплении дозы УФ облучения происходит снижение микротвердости. При малых дозах до ~1,4 1/ш2 идет упрочнение образца даже под нагрузкой (рис. 2а).
Индентирование облученных образцов не дает однозначного ответа на изменение микротвердости (рис. 2б). Накопление дозы облучения до 1,4 1/ш2 происходит резкое изменение хода зависимости. При дозах от 1,4 до 2,3 1/ш2 - спад, а затем резкое увеличение микротвердости. Зависимости нагруженных образцов при одновременном воздействии УФ облучения (рис. 2а) на начальном этапе воздействия УФ излучения противоположны зависимостям, которые показывают твердость облученных образцов (рис. 2б) [3].
Трещиностойкость образцов при накоплении дозы УФ излучения незначительно понижается (рис. 2а) и незначительно повышается (рис. 2б).
а)
Рис. 2. Зависимости значений микротвердости (1) и трещиностойкости (2) от времени облучения для LiF, Р =1 № а) нагружение при одновременном воздействии УФ облучения; б) индентирование облученных образцов
Для GaAs наблюдается скачкообразное поведение трещиностойкости с последующей стабилизацией при дозах, больших 4 1/ш2 (рис. 3а).
Характерно отметить, что для GaAs при дозах «2,5 1/ш2 наблюдается максимальное значение трещино-стойкости (рис. 3а, б).
Рис. 3. Зависимости значений микротвердости (1) и трещиностойкости (2) от времени облучения для GaAs, Р = 1 № а) нагружение при одновременном воздействии УФ облучения; б) индентирование облученных образцов
Объяснить приведенные результаты индентирова-ния можно следующим образом. В работе [4] отмечено, что доминирующую роль в процессе образования отпечатка при внедрении индентора в материал играют плоскости скольжения {110}45, по которым происходит пластическое движение материала внутрь образца и наружу (рис. 4). Эта модель формирования отпечатка может быть полезной при обсуждении дислокационных механизмов разрушения.
Рис. 4. Схема пластического течения материала при вдавливании индентора в грань (001) кристаллов типа №С! [4]
1790
В плоскостях (011) и (011), (101) и (101) краевые компоненты развивающихся дислокационных петель на линии пересечения этих плоскостей (под ин-дентором) взаимодействуют под углом 90° (рис. 4), образуя малоподвижные сидячие дислокации (аналогично механизму Коттрелла). В подтверждение этой схемы отметим, что при ориентации d II <110> в плоскостях {110} 45 возникают большие касательные напряжения, чем при ориентации диагонали отпечатка, не параллельной <110> [4]. Из механизма Коттрелла следует, что плоскость максимальных растягивающих напряжений стее в рассматриваемых случаях совпадает с плоскостью первичной спайности, если количество дислокаций во встречных скоплениях одинаково. Плоскость максимальных стее отклоняется от плоскости спайности, если количество дислокаций в скоплениях различное. При ориентации индентора d 11 <110> количество дислокаций в скоплениях можно считать с достаточной степенью надежности одинаковым (из соображений симметрии). Отклонение индентора от этого положения нарушает симметрию, плоскость максимальных растягивающих напряжений стее отклоняется от первичной плоскости спайности, что затрудняет вскрытие трещины. Кроме того, в случае асимметрии может произойти прорыв скопления дислокаций с большим их числом через барьер, являющийся результатом дислокационных реакций, что приводит к релаксации напряжений не за счет образования новой поверхности, а за счет пластического течения материала.
Трещина, зарождаясь, по-видимому, в плоскости первичной спайности {001}, может продолжать свое развитие не только в наблюдаемых на поверхности индентирования плоскостях {110} 90, но и в плоскостях {110)45, уходя вглубь кристалла. Это обусловлено одновременным образованием трещины и эволюцией дислокационной структуры полос скольжения в плоскостях {110}90 и {110}45 [5, 6].
Чувствительность трещиностойкости К1с к концентрации примесных и собственных точечных дефектов в участках индентирования (скопления дислокаций) и в кристалле в целом объясняется уменьшением подвижности генерируемых дислокаций и асимметрией в дислокационных скоплениях, обусловленными отмеченными выше точечными дефектами и их комплексами, присутствующих в области индентирования.
Изменение микротвердости и смена знака эффекта можно объяснить лишь с позиции взаимодействия дис-
локаций с дефектами, преобразующимися под действие УФ излучения. По-видимому, накопившиеся дефекты под действие УФ излучения в дальнейшем разрушаются этим же излучением. Влияние комплекса радиационных дефектов на микротвердость щелочно-галоидных кристаллов является темой дальнейших исследований.
ВЫВОДЫ
1. Таким образом, ориентация индентора, при которой d II <110>, приводит к стабильному разрушению образцов LiF. Трещиностойкость зависит от ориентации диагонали отпечатка относительно направления <110>.
2. Для щелочно-галоидных кристаллов воздействие УФ излучения приводит к неоднозначной зависимости изменения микротвердости. Наблюдаются как стадии упрочнения, так и разупрочнения материала.
3. В полупроводнике GaAs наблюдается общая тенденция упрочнения материала УФ излучением.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федоров В.А., Карыев Л.Г. Влияние исходной дислокационной структуры на зарождение трещин в кристаллах LiF при микроин-дентировании // Кристаллография. 1990. Т. 35. № 5. С. 1020-1022.
2. Новиков Н.В., Дуб С.Н., Булычев С.И. Методы микроиспытания на трещиностойкость // Зав. лаб. 1988. Т. 54. № 7. С. 60-67.
3. Чиванов А.В., Новиков Г.В., Глушков А.Н., Чемеркина М.В. Изменение прочностных характеристик кристаллических материалов под воздействием УФ излучения // Вестник Тамбовского Университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 6. С. 1824-1828.
4. Боярская Ю.С., Грабко Д.З., Кац М.С. Физика процессов микро-индентирования. Кишинев: Штиинца, 1986. 296 с.
5. Гилман Дж.-Дж. Скол, пластичность кристаллов // Атомный механизм разрушения. М.: Металлургиздат, 1963. С. 220-250.
6. Widerhorn S. // J. Appl. Phys. 1963. V. 34. № 8. P. 2125.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Chivanov A.V., Novikov G.V., Kariyev L.G. EFFECT OF UV-RADIATION ON MICROINDENTATION PROCESSES The influence of UV-radiation on the change of microhardness and fracture toughness of alkali-halide crystals and semiconductor GaAs is considered. Experimental results on the dynamics of the process of hardening and softening of crystals under radiation are given.
Key words: micro-hardness; fracture toughness; UV-
irradiation; strengthening.
1791
