Кинетика и микромеханизмы начальной стадии пластичности при динамическом нанои микроиндентировании твердых тел

УДК 539.3

КИНЕТИКА И МИКРОМЕХАНИЗМЫ НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ПЛАСТИЧНОСТИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАНО- И МИКРОИНДЕНТИРОВАНИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

© А.И. Тюрин, М.О. Воробьев, Т.С. Пирожкова, А.М. Купряшкин, И.А. Шуварин

Ключевые слова: микромеханизмы начальных стадий пластичности; точечные дефекты; дислокации, пластичность.

Исследована кинетика процесса начального этапа формирования отпечатка на стадиях чисто упругой деформации и стадии перехода от чисто упругой к упруго-пластической деформации. Определены энергетические характеристики и предложены доминирующие микромеханизмы массопереноса, обеспечивающие пластическую деформацию на начальной стадии пластичности.

Изучение кинетики и микромеханизмов пластической деформации материала в микро- и нанообъемах при действии высоких локальных напряжений приобретает все большую актуальность [1-5]. Это обусловлено развитием и применением нанотехнологий при разработке миниатюрных изделий (устройства НЭМС, МЭМС и др.), а также изучении природы размерных и скоростных эффектов при переходе на нанометровый уровень размеров как самих изделий, так и зоны контактного взаимодействия сопрягающихся элементов и подвижных частей.

Цель работы заключалась в исследовании кинетики процесса формирования отпечатка на стадии перехода от чисто упругой к упруго-пластической деформации, а также выявлении микромеханизмов пластической деформации начальных стадий пластичности.

Смоделировать и исследовать кинетику и микромеханизмы деформирования в таких условиях можно методами динамического наноиндентирования [1-5]. Работа выполнялась на динамических наноинденто-метрах Nanotriboindenter TI-950 (Hysiyron, USA) и ДНТ-2 (разработка НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» ТГУ им. Г.Р. Державина). В качестве инденто-ра использовали алмазную пирамидку Берковича. В качестве исследуемых материалов были выбраны ионные и ковалентные кристаллы (LiF, Si), металлы (Al) и керамики (керамика на основе ZrO2).

Исследование кинетики деформирования на начальных стадиях формирования отпечатка (рис. 1) показывает, что отпечаток вначале вплоть до некоторого критического значения глубины - ккр формируется исключительно за счет упругой деформации. Даже для такого мягкого ГЦК металла, как исследуемый номинально чистый Al, Нкр составляет 4-8 нм. Об упругом характере деформирования материала при глубине h < Нкр свидетельствуют чисто упругие P(h) диаграммы - полностью совпадающие ветви нагружения и разгрузки (рис. 2), а также совпадение начального участка ветви нагружения P(h) диаграммы с Герцевской зависимостью P ~ h3/2, характерной для чисто упругого контакта при действии сосредоточенной нагрузки (рис. 3). При достижении значения h = h^ и дальнейшем увеличении h > hjp на P(h) диаграмме появляются ха-

рактерные скачки (рис. 1, 3 и 4). Они свидетельствуют о том, что в исследуемых материалах переход от упругой к упруго-пластической деформации происходит характерным скачком (рис. 3-4). После первого скачка кинетика формирования отпечатка (ветвь нагружения характерной Р(Н) диаграммы) может принимать гладкий (без характерных скачков) характер, или же дальнейшее деформирование идет через ряд характерных скачков различной, но как правило, меньшей амплитуды. Гладкий или скачкообразный характер дальнейшего деформирования во многом определяется типом исследуемого материала и скоростью деформирования материала при индентировании.

В литературе обсуждаются различные микромеханизмы начальных стадий пластичности, от дислокационных до моноатомных и краудионных [1, 3, 5]. При этом большинство авторов склоняется к объяснению первоначального скачка деформации, особенно для мягких материалов, к которым относятся, например, исследованные (А1 и ЫГ), скачкообразным зарождением и перемещением ограниченного числа дислокаций, геометрически необходимых для формирования скачка на характерной Р(Н) диаграмме.

Рис. 1. Кинетика формирования отпечатка при динамическом наноиндентировании А1. Максимальная величина приложенной нагрузки Ртах = 70 мкН

1568

14

12

10

1 8

О-Г

6

4

0

0 12 3

/г, нм

Рис. 2. Характерная Р(к) диаграмма при динамическом нано-индентировании А1. Максимальная величина приложенной нагрузки Ртах = 14 мкН

О 10 20 30

U, нм

Рис. 3. Характерная Р

О 100 200 300

И, нм

Рис. 4. Характерная Р(к) диаграмма при динамическом нано-индентировании А1. Максимальная величина приложенной нагрузки Ртах = 1,1 мН

Однако наличие кинетических зависимостей начальных стадий деформирования материала и характерных Р(к) диаграмм позволяет определить энергети-

ческие параметры начальных стадий пластичности, в т. ч. и энергию, рассеиваемую в материале на первом скачке деформации при переходе от упругой к упругопластической деформации - Wj,. Проведенные расчеты Wp, нормированной на число атомов материала, вытесненных из-под индентора, показывают, что рассеянная энергия в пересчете на один атом составляет значения в интервале от нескольких десятых долей до нескольких единиц эВ (в зависимости от типа исследованного материала). Полученные значения характерны для точечных дефектов [6, 7] и свидетельствуют в пользу моноатомных микромеханизмов начальной стадии пластичности при формировании отпечатка.

Таким образом, в работе исследована кинетика процесса начального этапа формирования отпечатка на стадиях чисто упругой деформации и стадии перехода от чисто упругой к упруго-пластической деформации. Определены энергетические характеристики начальных стадий пластичности и предложены доминирующие микромеханизмы пластической деформации ответственные за скачкообразный характер начальной пластичности в условиях действия высоких локальных напряжений.

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 / её. B. Bhushan. N. Y.: Springer, 2008. 1916 p.

4. Головин Ю.И., Тюрин А.И., Иволгин В.И., Коренков В.В. // Новые принципы, техника и результаты исследования динамических характеристик твердых тел в микрообъемах // ЖТФ. 2000. Т. 70. № 5. С. 82-91.

5. Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. 1992. V. 7. № 6. P. 1564-1583.

6. ФридельЖ. Дислокации. М.: Мир, 1967. 644 с.

7. Орлов А.Н., Трушин Ю.В. Энергии точечных дефектов в металлах. М.: Энергоатомиздат, 1983. 80 с.

БЛАГОДАРНОСТИ:

1. Все исследования выполнены с использованием оборудования НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» ТГУ им. Г.Р. Державина.

2. Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, РФФИ и программы У.М.Н.И.К.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Tyurin A.I., Vorobyov M.O., Pirozhkova T.S., Kupryashkin A.M., Shuvarin I.A.

KINETICS AND MICROMECHANISMS ONSET PLASTICITY IN DYNAMIC NANO- AND MICROINDANTATION OF SOLID BODIES

The kinetics of initial phase imprinted in the stage of purely elastic deformation and the transition from purely elastic to elastic-plastic deformation are investigated. The energy characteristics of the initial stages of plasticity are determined and suggest the dominant plastic deformation micromechanisms responsible for spasmodic character of the initial stage of plasticity of fcc metals (Al).

Key words: micromechanisms initial stages of plasticity; point defects; dislocations; plastic.

1569