Скоростная зависимость упруго-пластического перехода при наноконтактной деформации LiF

2. Шибков А.А., Кольцов Р.Ю., Желтое М.А., Шуклинов А.В., Лебед-кин М.А. Динамика спонтанной делокализации пластической деформации при неустойчивом пластическом течении сплавов Al-Mg // Известия РАН. Серия физическая. 2006. Т. 70. № 9. С. 1372-1376.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект № 2.1.1/2747.

Поступила в редакцию 20 ноября 2009 г.

Mihlik D.V. Dynamics of macrobands of localized deformation and the necking before the fracture of Al-Mg alloy.

Relationship between dynamics of deformation bands and the necking on the prefracture stage during tensile test of Al-Mg alloy is investigated by fast videotape in situ method.

Key words: aluminum-magnesium alloys; bands of macrolocalized deformation; precipitates; unstable deformation.

УДК 539.37:537.221

СКОРОСТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКОГО ПЕРЕХОДА ПРИ НАНОКОНТАКТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ LiF

© В.В. Шиндяпин, А.И. Тюрин, М.О. Воробьев

Ключевые слова: наноконтактная деформация; упруго-пластический переход; скоростная зависимость; микромеханизмы; структурные дефекты.

В работе рассматривается скоростная зависимость упруго-пластического перехода при наноконтактной деформации ЫБ. Показано, что на начальных этапах взаимодействия деформация носит упругий характер, а при достижении некоторых критических значений Рк и Нк деформация сменяется с упругой на упруго-пластическую. Величина Рк и Нк растет с ростом относительной деформации.

Деформация материала в микро- и нанообъемах 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 в различных мельницах и в других процессах [1-3].

При этом поведение динамических микро/наноконтактов во многом зависит от того, какого типа деформация реализуется при взаимодействии: чисто упругая или упруго-пластическая. Критические нагрузки и напряжения упруго-пластического перехода определяются атомными механизмами зарождения и движения структурных дефектов в материале, а также зависят от размеров контактной области и скорости деформирования [4].

В работе экспериментально исследованы размерноскоростные зависимости упруго-пластического перехода в кристаллических и аморфных материалах, нагружаемых локально трехгранным пирамидальным индентором Берковича с регулируемой линейной скоростью и от единиц до десятков см/с. При этом с высоким временным (до 0,3 мкс) и пространственным (до 1 нм) разрешением контролировали силу P(t) сопротивления внедрения индентора и нормальное перемещение h(t) индентора. Локальное нагружение пирамидальными инденторами характеризуется ростом характерных размеров R области сильной деформации и одновременным падением скорости относительной деформа-

v(t) v(t) „

ции £ « -jr- « . Проводимые оценки величины 6

R

показывают, что на начальной стадии нагружения, когда величина составляет 10-100 нм, даже при линей-

ной скорости перемещения индентора и ~ 1 см/с величина £ может достигать значений 106-107 с-1, что сопоставимо со скоростью деформирования при взрыве ВВ на поверхности образца.

По условиям опыта и регулировалась начальной высотой индентора над поверхностью образца и работой электромагнитного привода, ускоряющего шток с индентором перед его столкновением с образцом.

Ввиду относительно большой массы подвижных частей наноиндентометра (т ~ 100 г) и значительной накопленной энергии (~ мДж) скорость индентора в процессе погружения в материал на несколько микрометров практически была неизменна, т. е. реализовывался «жесткий» режим нагружения, при котором устройство задает постоянную скорость линейной деформации.

Кинетика перемещения индентора Н(ґ) и величины действующей силы Р(ґ) регистрировались независимыми высокоскоростными каналами регистрации.

Перестроение полученных зависимостей Р(ґ) и Н(ґ) позволяет строить типичные Р(Н) диаграммы, исключая из рассмотрения координату ґ. Полученные результаты для монокристаллов ЬіГ для различных скоростей перемещения индентора на начальной стадии его внедрения в материал показаны на рис. 1.

Из результатов экспериментов на монокристаллах ЬіЕ и плавленом кварце следует, что на начальной стадии погружения (до некоторой критической величины Р = Рс) зависимость Р(Н) полностью совпадает с зависимостью Р(Изп) (рис. 2). Поскольку любой пирамидальный индентор имеет притупление, которое можно аппроксимировать сферой с эквивалентным радиусом Я, начальная стадия погружения проходила в соответствии с законом Герца Р =

h, нм

Рис. 1. Начальные участки типичных Р(к) диаграмм при индентировании монокристаллов ЫБ с различной скоростью перемещения индентора V. 1 - VI = 16 мм/с; 2 - у2 = 20 мм/с; 3 - = 26 мм/с

h, нм

Рис. 2. Зависимость силы Р, действующей на материал от глубины внедрения индентора к в сравнении с законом Герца Р ~ к для ЦБ

здесь Ег = ^(1 ^ )/е1 -(1 У")/еш

денный модуль Юнга, Е1 - модуль Юнга материала индентора, Ет - модуль Юнга материала образца. й * 150 нм - радиус притупления индентора, использовавшегося в эксперименте.

Поэтому совпадение начальных участков Р(к) диаграмм с законом Герца (см. рис. 2) 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. 2), что свидетельствует в пользу активационного характера пластического течения. Из зависимости критической нагрузки Рс от £ можно извлечь информацию об активационном объеме у. Величина у оказалась порядка атомного объема, из чего следует, что лимитирующей стадией начальной

пластичности являются процессы зарождения и перемещения точечных дефектов.

Таким образом, в работе представлена новая методика импульсного наноиндентирования и первые результаты ее применения к выявлению кинетики и механизмов деформирования на начальных этапах динамического наноконтактного взаимодействия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2008. 496 с.

2. Springer Handbook of Nanotechnology / её. B. Bhushan. Springer. N. Y., 2008. 1916 p.

3. Nanotribology and Nanomechanics. Introduction / её. B. Bhushan. Springer-Verlag; Berlin-Heidelberg, 2008. 1516 p.

4. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. 324 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 07-02-00906) и финансовой поддержки

приве-

программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.).

Поступила в редакцию 20 ноября 2009 г.

Shindyapin V.V., Tyurin A.I., Vorobyev M.O. High-speed dependence of elastic-plastic transition at nanocontact deformations LiF. In the work high-speed dependence of elastic-plastic

transition is considered at nanocontact deformation LiF. It is shown that at the initial stages of interaction deformation has elastic character, and at achievement of some critical values PK and hK deformation is replaced with elastic on elastic-plastic. Size Pk and hK grows with growth of relative deformation.

Key words: nano-contact deformation; elastic-plastic transition; high-speed dependence; micromechanisms; structural defects.