Определение упругой деформации поверхности кристалла при микроиндентировании

УДК 62O.178.152.3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ КРИСТАЛЛА ПРИ МИКРОИНДЕНТИРОВАНИИ

© Л.Г. Карыев, В.А. Федоров, А.Н. Глушков

Kariyev L.G., Feodorov V.A., Glushkov A.N. The definition of crystal section elastic deformation under microdeformation. The existence of elastic deformation of locally deformed crystal section is experimentally proved. This section has an imprint formed under the load. The values of elastic deformation for alcaline-haloid crystal with different loads on the indentor are also marked.

Деформация материала под индентором включает в себя пластическую компоненту, обусловленную необратимым нормальным и тангенциальным перемещением материала, и упругую, под которой принято считать упругое восстановление отпечатка [1]. Последняя проявляется в отличие формы и размеров отпечатка под индентором и после его поднятия. Одним из перспективных методов исследования упругого восстановления отпечатка и закономерностей пластической деформации при индентировании является метод, при котором производится непрерывная регистрация глубины погружения индентора по мере увеличения нагрузки [2-4]. Так, например, совершенствование методики регистрации в рамках этого подхода позволило [5, 6] достигнуть пространственного разрешения непрерывной регистрации погружения индентора ~ 10-8 м.

Однако в указанных работах при анализе механизмов пластичности, меняющихся по мере внедрения индентора в материал, не учитывается вклад упругой деформации (упругого прогиба поверхности) в общем перемещении индентора. Под действием нагрузки поверхность индентируемого участка, включающая в себя формирующийся отпечаток, испытывает упругий прогиб (рис. 1б).

В связи с изложенным, была поставлена задача: разработать метод, позволяющий фиксировать и оценивать количественно величину упругого прогиба индентируемого участка для ЩГК при различных нагрузках на индентор.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В опытах использовали монокристаллы LiF (10-3 вес. % по Са+2, Mg+2, Ba+2), №а (10-2 4 10-5 вес. % по Fe+2), КС1 (10-2 10-5 вес. % по Мп+2). Размеры образ-

цов 4x8x20 мм. Эксперименты проводили при температуре 20 °С на микротвердомере ПМТ-3 со стандартным индентором. Нагрузку на индентор изменяли в пределах 10 < Р < 100 г. Во всех опытах использовали свежие поверхности скола образцов. Изменение рельефа поверхности кристаллов контролировали с помощью микроинтерферометра Линника МИИ-4.

а)

в)

Рис. 1. Упругая деформация индентируемого участка поверхности кристалла: а) поверхность до нагружения; б) упругий прогиб поверхности монокристалла и образование отпечатка под нагрузкой; в) поверхность кристалла после разгрузки

Рис. 2. Схема расчета величины упругой деформации материала под индентором: АВ, АС - ребра индентора; у - расстояние от края отпечатка до метки; а - угол между ребрами пирамиды; аа и ЬЬ - исходные уровни берегов трещины; сс - уровень поверхности в результате упругого смещения; к - величина упругого смещения

б)

Рис. 3. Индентирование поверхности вблизи трещины скола. На противоположном берегу трещины остается след от индентора (метка показана стрелкой): а) №С1 (10-2 вес. %), Р = 10 г; б) КС1 (10-2 вес. %), Р = 10 г

Основой решения поставленной задачи являлось индентирование поверхностей (001) кристалла в непосредственной близости от берегов искусственно введенной в кристалл по (010) трещины (рис. 2). При этом поверхность (001) вблизи берега трещины, под-вегнутая воздействию индентора, будет прогибаться под нагрузкой. Противоположный берег трещины не будет испытывать прогиба, в результате чего на нем должна остаться небольшая метка (диагональ отпечатка ориентированна перпендикулярно плоскости трещины скола). На рис. 2 приведена схема воздействия индентором на кристалл близи трещины скола. На рис. 3 показаны отпечаток индентора на одном из берегов трещины и метка на другом. Предложенную схему деформирования кристалла реализовали следующим образом.

1. Воздействием лезвия ножа на торец кристалла в последний вводили трещину скола (010) длиной 10 4 15 мм. Индентировали участки поверхности, расположенные вблизи берегов введенной трещины (рис. 4а). Диагональ (й) отпечатка при этом была параллельна <100>.

Во второй серии опытов на поверхности наблюдения (001) монокристаллов LiF, предварительно создавали микроскопические трещины [7], залегающие в плоскостях {110}. Затем индентировали участки вблизи берега введенной микротрещины. Диагональ отпечатка при этом незначительно разориенти-ровали относительно направления <110> (рис. 4б), во избежание растрескивания.

3 2

/

Рис. 4. Схема проведения опытов а) в первой серии; б) во второй серии: в) в третьей серии. 1 - индентируемая поверхность (001) кристалла; 2 - трещина скола (010); 3 -индентируемые участки поверхности кристалла; 4 - микротрещина по {110}, полученная при й \ \ <110>

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Результаты опытов первой серии для различных ЩГК представлены на рис. 3. Видно, что между отпечатком и следом от индентора на противоположном берегу трещины (метка) расположен не попавший в отпечаток участок поверхности кристалла. Такая картина наблюдается не только вблизи вершины трещины, где расстояние между

берегами £ — 1 мкм, но и для участков большего ее

раскрытия (£ > 10 мкм). Интерферометрически определено, что берега трещины до индентирования расположены в одном горизонтальном уровне. После индентирования упруго деформированный берег трещины возвращается в исходное положение. Однако в районе отпечатка со стороны трещины наблюдали небольшой участок берега (—1,5-2 диагонали от-

печатка), уровень которого оставался несколько ниже исходного. Последнее связано с пластическим подтеканием материала в область трещины. Величина отмеченной необратимой деформации берега зависела от нагрузки на индентор и от материала кристалла.

Во второй серии опытов, как и в первой, на противоположных индентируемым берегах трещин так же наблюдались следы от воздействия на них инден-тора (рис. 5).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты опытов можно объяснить перемещением индентируемого участка поверхности кристалла с формирующимся отпечатком в направлении действия нагрузки. Покажем, что это перемещение связано с упругой деформацией материала образца под ин-дентором.

Индентирование близких к краю участков кристалла сопровождается завершенным пластическим сдвигом материала (в основном по плоскостям {110} 45 и {110} 90 [1]), что обуславливает пластическое смещение вещества кристалла этих участков (рис. 6а). На рис. 6а представлены интерферограммы, на которых хорошо виден этот краевой эффект. По мере удаления от края кристалла эффект исчезает, и не проявляется уже на расстояниях в несколько диагоналей отпечатка от края, что обусловлено незавершенным сдвигом по указанным плоскостям (рис. 6б). После разгрузки в этом случае (при отсутствии краевого эффекта) поверхность кристалла вокруг отпечатка возвращается в исходное состояние на один уровень с недеформированной поверхностью, за исключением небольших навалов на краю отпечатка (рис. 6б).

Отмечено, что во всех использованных для расчетов опытах отпечаток не перекрывал русла исходной трещины (с учетом его упругого восстановления для LiF; для №С1 и КС1 отпечатки при нагрузке и разгрузке эквивалентны [1]), и, как правило, располагался между двумя участками поверхности образца, один из которых совпадал с исходным уровнем поверхности, а другой находился несколько ниже исходного за счет завершенного пластического сдвига (рис. 7).

Для полного исключения пластической составляющей в перечисленных опытах был поставлен следующий эксперимент. На поверхность наблюдения кристалла наносили отпечаток индентором несколько в стороне от продолжения следа плоскости трещины скола, предварительно введенной в кристалл (рис. 4в). После этого действием лезвия ножа на устье трещины последнюю продвигали по кристаллу на столько, чтобы отпечаток оказался рядом с руслом трещины. Далее, на ПМТ-3 повторно воздействовали индентором в первичный отпечаток при нагрузке и ориентации, соответствующих получению первоначального. При этом на противоположном берегу трещины после разгрузки также наблюдали след от ин-дентора, аналогичный показанному

на рис. 3.

б)

Рис. 5. Результаты индентирования второй серии опытов: ЬіБ (10-3 вес. %), Р = 50, 100 г.

Рис. 6. Интерферограммы индентированного участка поверхности кристалла вблизи края образца (а) и на расстоянии трех диаметров отпечатка (б), LiF (10-3 вес. %), Р = 20 г

Рис. 7. Плоскость скола, перпендикулярного индентируе-мой поверхности образца и проходящего через отпечаток. Индентирование проводили вблизи края кристалла (стрелкой указан след от индентора).

Таким образом, экспериментально определив у, получаем величину упругого прогиба кристалла под индентором. На рис. 8 представлены зависимости к(Р) для различных ЩГК.

Видно, что различие концентрации примесей в кристаллах практически не влияет на величину упругой деформации, однако для кристаллов с большим значением модуля Юнга (№С1) величина к заметно меньше, чем для образцов с меньшим значением модуля Юнга (КС1).

Для оценки к в случае индентирования участков поверхности образца, удаленных от края кристалла, где краевой пластический эффект отсутствует, полученные значения упругой деформации, по-видимому, надо уменьшить (исходя из соображений симметрии).

ВЫВОДЫ

Рис. 8. Зависимость величины упругого перемещения ин-дентируемой поверхности от нагрузки на индентор: СИ -КС1

Из проведенного эксперимента следует, что краевой пластический эффект не может быть причиной появления метки при микроиндентировании. Следовательно, объяснить результаты этих опытов можно только упругим прогибом индентируемого участка поверхности под действием нагрузки.

Оценить величину упругой деформации (к) (рис. 2) кристалла под индентором можно из выражения:

1. Таким образом, показано, что при инденти-ровании поверхности имеет место ее упругое перемещение, которое по своей величине соизмеримо с перемещением индентора при пластическом формировании отпечатка.

2. При индентировании кристалла отпечаток формируется в упруго-деформированной локальной области образца, что, по-видимому, влияет на численные оценки истинных значений микротвердости.

3. Показано, что концентрация примесей (в диапазоне 10-2 4 10-5 вес. %) на величину упругой деформации практически не влияет.

ЛИТЕРАТУРА

Если р - угол между гранями пирамиды (Р = 136°), тогда в результате простых расчетов можно получить связь углов а и р в виде:

1. Боярская Ю.С., Грабко Д.З., Кац М.С. Физика процессов микро-индентирования. Кишинев: Штиинца, 1986. 296 с.

2. Булычев С.И., Алехин В.П. и др. // ФХОМ. 1981. №2. С. 110.

3. Алехин В.П., Берман Г.С. и др. // Заводская лаборатория. 1972. № 4. С. 488.

4. Дегтярев В.И., Лагвешкин В.Я. // Заводская лаборатория. 1977. № 8. С. 999.

5. Головин Ю.И., Тюрин А.И. // Вестн. ТГУ. Сер. Естеств. и технич. науки. Тамбов, 2000. Т. 5. № 2-3. С. 249.

6. Орлов В.И., Иунин Ю.Л. и др. // Вестн. ТГУ. Сер. Естеств. и технич. науки. Тамбов, 2000. Т. 5. №2-3. С. 367.

7. Кары1ев Л.Г., Федоров В.А. и др. // Вестн. ТГУ. Сер. Естеств. и технич. науки. Тамбов, 2000. Т. 5. № 2-3. С. 378.

тогда к « 0,2 9у.

Поступила в редакцию 20 декабря 2000 года.