Физические аспекты формирования гистерезиса механических свойств твердых тел при многоцикловом контактном нагружении

СЕКЦИЯ: ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА

ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ ГИСТЕРЕЗИСА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПРИ МНОГОЦИКЛОВОМ КОНТАКТНОМ НАГРУЖЕНИИ

© Ю.И. Головин, В.В. Коренков, Н.В. Коренкова

Гистерезис механических свойств материала наглядно проявляется при наноиндентировании, когда в процессе погружения индентора в материал непрерывно регистрируется зависимость линейного перемещения индентора от величины прикладываемого к нему усилия. При полной разгрузке индентора, как правило, не происходит полного восстановления отпечатка, -кривые нагружения и разгрузки не совпадают. Образуемая при этом гистерезисная петля обусловлена пластической деформацией материала под индентором. Повторное нагружение того же отпечатка должно происходить упруго, если все возможные механизмы релаксации успели сработать в течение цикла снятия нагрузки с индентора. Если же кривая повторного нагружения не совпадает с разгрузочной кривой первого цикла, то образуется новая петля гистерезиса, анализу причин и механизмов формирования которой посвящено данное исследование.

Конечно, сложный характер деформированного состояния материала под индентором не позволяет строго однозначно судить о причинах проявления гистере-зисных потерь - они могут быть вызваны фазовыми превращениями, время-зависимыми свойствами упругости и пластичности, локальным нагревом, трением, адгезией и др. Можно, однако, попытаться оценить возможный вклад каждого из этих механизмов.

В работе установлены критерии оценки гистерезиса. Форма нижней ветви петли гистерезиса определяется особенностями вязко-упругой релаксации напряжений, верхней части петли - упруго-пластического деформирования уже сформированного пятна контакта. Наклон нижней части петли позволяет оценить эволюцию упругих свойств материала в субмикрообъеме при многократном контактном нагружении. Информативным параметром является также ширина петли гистерезиса на половинной высоте, которая позволяет оценить остаточную пластичность материала. Наконец, площадь гистерезисной петли соответствует диссипации энергии при пластическом течении материала под индентором. Анализ гистерезиса по этим критериям позволил установить следующие основные закономерности:

- Наличие остаточной неупругой деформации при разгрузке отпечатка ведет к тому, что модуль Юнга уменьшается и стабилизируется только после N = = 5-^8 циклов повторного нагружения.

- Величина упругого восстановления в полимерах, керамиках и ковалентных кристаллах достаточно велика, а наиболее слабо восстанавливаются размеры отпечатка в пластичных металлах. Наблюдается тесная корреляция между шириной гистерезисных петель и восстановлением в материалах, не испытывающих фазовых переходов.

- Диссипация энергии уменьшается с ростом числа циклов повторного нагружения. С физической точки зрения, такая минимизация пластической деформации означает поверхностное упрочнение материала в области под индентором.

- В полимерах наличие широких гистерезисных петель может быть объяснено вязко-упругой релаксацией напряжений. Сравнение результатов теоретического расчета гистерезисных потерь по модели Максвелла с экспериментальными результатами для ПММА свидетельствует, что гистерезисные потери полностью обусловлены вязко-упругими свойствами полимера.

- Вязко-упругие свойства большинства твердых тел выражены гораздо слабее, чем в полимерах. Тем не менее, время-зависимые механические свойства могут влиять на характер гистерезиса и в кристаллических телах. Эксперимент свидетельствует, что чем выше скоростная чувствительность твердости материала, тем шире гистерезисные петли при многоцикловом контактном нагружении.

- В процессе погружения индентора происходит деформация поверхности по периметру пятна контакта, которая в подавляющем большинстве материалов приводит к образованию навалов («рШод-ир») или провалов («вшИг^-ш») в области деформирования. Это приводит к изменению условий деформации при повторном нагружении пятна контакта. В кристаллах с исходной тетрагональной структурой, по нашим оценкам, до 20 % гистерезиса обусловлено деформационным упрочнением.

- Наконец, одной из причин гистерезиса может быть структурное фазовое превращение (ФП), вызываемое высоким контактным давлением под индентором. Новая фаза, сформированная в первом цикле нагружения, как правило, отличается по плотности, твердости и упругим свойствам от исходной фазы. Чем больше это различие, тем шире получаемая петля гистерезиса. При этом верхней ветви гистерезисной петли

может наблюдаться ступенька, а на нижней - колено, т. е. другие характерные признаки структурной перестройки материала под индентором.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 01-02-16573) и Министерства образования РФ (грант в области естественных наук № Е02-3.4-263).

«ОКНА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ» МИКРОТВЕРДОСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ 81 К БЕТА-ОБЛУЧЕНИЮ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

© А.А. Дмитриевский, Н.Ю. Сучкова, И.А. Пушнин

Малые дозы ионизирующего облучения способны приводить к значительным изменениям электрических характеристик полупроводниковых приборов [1]. Известно [2], что облучение нейтронами кристаллов кремния отражается на их пластических свойствах. Величина радиационно-стимулированных эффектов сложным образом зависит от дозы, интенсивности и температуры облучения.

Целью настоящей работы являлось исследование влияния бета-облучения на микротвердость монокристаллов кремния при комнатной температуре.

В экспериментах использовались два вида образцов кремния, отличавшихся концентрацией примеси кислорода: 81-1 - выращенный по методу Чохральского, и 81-2 - бестигельный. Образцы облучались электронами (Е = 0,56 МеУ) от радиоактивного источника 908г + 90У (активность А = 14,5 МВц). Максимальный флюенс не превышал значения 1012 см~2. Тестирование микротвердости Н по Виккерсу осуществляли на микротвердомере ПМТ-3.

В исследованном интервале флюенса обнаружены две области, в которых наблюдается обратимое разупрочнение обоих типов исследуемых образцов (81-1 и 81-2). На этом основании можно сделать вывод о сложном многостадийном характере преобразований радиационных дефектов по мере увеличения поглощенной дозы. Зависимости микротвердости от поглощенной дозы для образцов 81-1 и 81-2 качественно идентичны (совпадают интервалы доз, в которых наблюдаются изменения микротвердости). Следовательно, комплексы радиационных дефектов, ответственных за бета-

стимулированное изменение микротвердости монокристаллов кремния, не содержат кислород, так как концентрации атомов кислорода в образцах Si-1 и Si-2 отличаются на несколько порядков.

Если, по достижению максимального бета-стимулированного разупрочнения Si-1, прервать экспозицию образца в поле быстрых электронов, то наблюдается восстановление микротвердости к исходному значению. Время, необходимое для самопроизвольного восстановления микротвердости Si-1, совпадает со временем, в течение которого микротвердость восстанавливается в условиях бета-облучения при данной активности источника. Следовательно, можно предположить, что на этой стадии преобразования радиационных дефектов дальнейшее облучение роли не играет. Очевидно, наблюдаемое восстановление микротвердости скорее является не результатом дальнейшего облучения Si, а развитием событий, инициируемых меньшими дозами бета-облучения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Козлов В.А., Козловский В.В. // ФТП. 2001. V. 35. № 7. Р. 769.

2. Golan G., Rabinovich Е., Inberg A., Axelevitch A., Oksman М., Rosenwaks Y., Kozlovsky A., Rancoita P.G., Rattaggi М., Seidman A., Croitoru N. H Microelectronics Reliability. 1999. V. 39. P. 1497.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке программы «Фуллерены и атомные кластеры» (проект № 541-02), Университеты России (грант №У.Р.01.01.013.), а также РФФИ (грант № 02-02-17571).