Зависимость коэффициента скоростной чувствительности твердости от глубины пластического отпечатка при индентировании Zr02 симметричным треугольным импульсом силы Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЛИЯНИЕ ГЛУБИНЫ ПЛАСТИЧЕСКОГО ОТПЕЧАТКА, СКОРОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ТИПА МАТЕРИАЛА НА ВЕЛИЧИНУ МИКРО- И НАНОТВЕРДОСТИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ ИНДЕНТИРОВАНИИ © А.И. Тюрин, В.В. Хлебников

Хорошо известно, что с уменьшением размеров объекта испытания или области деформирования до десятков - сотен нанометров все свойства материалов могут сильно измениться. Один из немногих способов, пригодных для определения физико-механических свойств материалов в субмикрообъемах, - наноинден-тирование, реализуемое непрерывным вдавливанием в поверхность хорошо аттестованного зонда линейно нарастающим во времени усилием Р^).

Цель настоящей работы состояла в разделении вкладов масштабного и скоростного факторов в число динамической твердости Ил на различных этапах формирования отпечатка ряда исследуемых материалов.

В качестве объектов исследования были выбраны ионные и ковалентные кристаллы (ЬШ, Ое, Б1), полимер (ПММА), стали (Сталь 10), керамика (керамика на основе 7Ю2) и плавленый кварц, представляющие различные группы материалов.

Индентирование осуществляли алмазной пирамидой Берковича под действием симметричного треугольного импульса силы с варьируемой амплитудой Ртах (от 0,4 до 240 мН) и длительностью фронта импульса нагружения Тф (в диапазоне времен Тф от 10 мс до 100 с) на динамическом наноиндентометре собственной конструкции. Зависимости Р^) и к(?) регистрировали с временным разрешением ~ 50 мкс и записывали компьютером. Затем по этим данным строили диаграммы полного цикла нагружения - разгрузки в координатах Р - к. Это обеспечивало полностью контролируемые условия испытания для различных значе-

ний средней скорости относительной деформации < е > « (<^к/Л)/к ~ 1/Тф (в интервале от 10-2 до 102 с-1), а также позволяло определять мгновенные значения величины действующей силы Р^), глубины отпечатка Щ) и динамической твердости И(Г) = Р(Г)/ЛС(Г) в момент времени t, где ЛС(Г) - мгновенное значение площади проекции контакта в пластическом отпечатке.

Знание мгновенных значений Ил для различных скоростей относительной деформации и глубин отпечатка, а также величины статической твердости материала Н позволяет найти доли ИА которые контролируются скоростным АИГ и масштабным АИк факторами при заданных величинах кс и < е >, в предположении аддитивности вкладов всех трех составляющих - АИГ, АИк и Н, т. е.

И = Н + АИГ + АИк.

Таким образом, в работе в достаточно широких диапазонах е (от 10-1 до 5 • 103 с-1) и кс (от 1,5 мкм до 30 нм) предложен и реализован метод разделения вклада масштабного и скоростного факторов в формирование величины числа динамической твердости исследуемых материалов.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 04-02-17198 и Министерства образования РФ, грант в области естественных наук (шифр Е02-3.4-263).

ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА СКОРОСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТВЕРДОСТИ ОТ ГЛУБИНЫ ПЛАСТИЧЕСКОГО ОТПЕЧАТКА ПРИ ИНДЕНТИРОВАНИИ ZrO2 СИММЕТРИЧНЫМ ТРЕУГОЛЬНЫМ ИМПУЛЬСОМ СИЛЫ

© В.В. Хлебников, А.С. Мелехов

Создание интегрированных микроэлектромехани-ческих систем, интеллектуальных микророботов, разработка систем записи, хранения и считывания информации на носителях путем нанесения уколов атомарно острыми иголками и другие потребности нанотехнологии резко активизировали работы по изучению меха-

нических свойств материалов на уровне отдельных элементарных событий в одном микро- или наноконтакте. Это позволяет заполнить имеющиеся пробелы между описанием различных явлений, обусловленных микроконтактными взаимодействиями, на макроскопическом и атомарном уровнях.

В настоящей работе ставилась цель определения влияния масштабного фактора (при глубине отпечатка от 30 нм до 1 мкм) на коэффициент скоростной чувствительности твердости Н керамики (керамика на основе 7Ю2) в диапазоне е от 3-10-3 до 102 с-1, перекрывающем около пяти порядков величины.

С этой целью на специально разработанном компьютеризированном наноиндентометре осуществляли индентирование поверхности образца алмазной пирамидкой Берковича под действием треугольного импульса силы с варьируемой амплитудой Ртах (от 0,4 мН до 200 мН) и длительностью Тф (от 10-2 с до 102 с) фронта импульса нагружения.

Исследование коэффициента скоростной чувствительности а в зависимости от кс показывает, что в достаточно широком интервале значений кс наклон зависимости log(Иd/Иst) = у( е ) остается практически неизменным, и только при переходе в область малых глубин (менее 100 нм) начинает расти с уменьшением кс.

Появление наклонных участков (возрастание Н с увеличением кс) на зависимости Н = /(кс) может означать, наряду с изменением свойств материала в поверхностном слое, изменение геометрических условий, необходимых для начала (проявления) того или иного доминирующего механизма релаксации напряжений.

Причем очевидно, что эти условия будут различными для различных материалов (имеющих различную величину вектора Бюргерса - Ь) и скоростей нагружения (из-за необходимости достижения некоторой критической глубины за время, когда величина е падает до некоторого критического значения).

Из этого обстоятельства (в совокупности с размерами деформированной зоны) можно извлечь информацию о смене основных носителей или механизмов пластической деформации. Изменение наклона зависимости И/ е ) и И^(кс), по-видимому, соответствует переходу от одного преимущественного механизма

релаксации напряжений к другому. Отсутствие скоростной зависимости На в некотором интервале є и кс означает преобладание такого высокоэффективного (в данных условиях) механизма релаксации напряжений, который успевает обеспечивать квазистатические условия при самой высокой скорости деформирования в этом интервале є и кс. Это, однако, не исключает существования и возможности выявления скоростных зависимостей На в других интервалах значений є и кс.

Заметим, что наличие значительной пластической деформации под индентором при одновременном отсутствии или малой величине коэффициента скоростной чувствительности На для 7Ю2 и очень малом количестве или полном отсутствии образующихся дислокаций с крайне низкой их подвижностью при комнатной температуре, а также отсутствие зависимости На от кс означает, на наш взгляд, что пластическую релаксацию в этих материалах обеспечивают недислокационные процессы: генерирование и движение из-под индентора неравновесных точечных дефектов, зародышей новых фаз или полос локализованного сдвига, индуцируемых высокими контактными давлениями.

Таким образом, в работе определены величины коэффициентов скоростной чувствительности нанотвердости керамики (7г02). Показано влияние масштабного и скоростного факторов на коэффициент скоростной чувствительности твердости. Установлены критические значения глубины отпечатка и скорости относительной деформации для изменения коэффициента скоростной чувствительности нанотвердости.

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).

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВРЕМЯ-ЗАВИСИМЫЕ СВОЙСТВА ПММА ПРИ ИНДЕНТИРОВАНИИ СТУПЕНЧАТО-НАРАСТАЮЩИМ ИМПУЛЬСОМ СИЛЫ © А.И. Тюрин, В.В. Хлебников

Одним из наиболее распространенных неразрушающих методов исследования механических свойств твердых тел в микро- и нанообъемах является метод микро- и наноиндентирования. При этом определяется достаточно большое количество различных физикомеханических характеристик материала, среди которых наиболее простой и доступной является микро- и нанотвердость. Числовые значения величины твердости зависят от типа исследуемого материала, температуры, глубины отпечатка, времени индентирования, вида и скорости приложения нагрузки и многих других факторов.

Цель работы заключалась в исследовании кинетики формирования отпечатка, выявлении стадийности его

формирования, определении кинетических и активационных параметров, установлении типа структурных дефектов и доминирующих микромеханизмов пластической деформации материала под индентором для различных температур при индентировании ступенча-то-нарастающим импульсом силы полимера ПММА.

Исследования осуществляли алмазной пирамидой Берковича на наноиндентометре собственной конструкции с высоким пространственным (до 1 нм) и временным (до 100 мс) разрешением.

В ходе эксперимента образец нагружали ступенча-то-нарастающим импульсом силы Р с варьируемым временем нагрузки Тф от 0,1 до 100 с, и амплитуды действующей силы Ртах от 4 до 20 мН.