Микромеханизмы формирования отпечатка при динамическом микрои наноиндентировании ступенчато нарастающей нагрузкой

МИКРОМЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОТПЕЧАТКА ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ МИКРО- И НАНОИНДЕНТИРОВАНИИ СТУПЕНЧАТО-НАРАСТАЮЩЕЙ НАГРУЗКОЙ

© А.И. Тюрин, Э.А. Бойцов, В.В. Хлебников

Во многих случаях исследования механических свойств материалов при микро- и наноиндентировании применяются методики нагружения, использующие импульс нагрузки треугольной формы. Такая методика позволяет получать большое количество различных характеристик материала в микро- и нанообъемах и лучше понять поведение материала при действии высоких локальных и сильно неоднородных напряжений. Однако такая методика не позволяет определять активационные параметры массопереноса материала из-под индентора и определять спектр структурных дефектов, обусловливающих пластическую деформацию. Для выявления механизмов массопереноса при индентиро-вании нами ранее была предложена методика, основанная на скачкообразном приложении к индентору испытательной нагрузки и последующем анализе отклика материала (кинетики глубины отпечатка). Эта методика позволяет определять активационные параметры, начиная с момента достижения постоянной силы. Однако она не помогает ответить на вопрос о механизмах формирования отпечатка на этапе нарастания силы. Для преодоления недостатков этих методик в настоящей работе предложена методика, совмещающая в себе достоинства обеих отмеченных методик. Она заключается в приложении к индентору ступенча-то-нарастающей нагрузки и позволяет исследовать микромеханизмы деформирования на различных этапах формирования отпечатка (на этапах постоянства величины действующей силы) в зависимости от его глубины, времени индентирования и скорости относительной деформации.

“"1 1-----1----'-----1-----г-----1----г-----р-----Ю

0.00 0.05 0 .10 0.15 0.20!

Ъ С

Рис. 1. Зависимости Р(() и й(/) при индентировании ггСЬ сту-пенчато-нарастающей силой. На врезке показана динамика формирования отпечатка для первой (I) и восьмой (8) ступеней нагружения. ДА и Д( - изменение глубины и времени на отдельной ступени нагружения

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 при действии ступенчато-нарастающей нагрузки.

Исследования осуществляли алмазной пирамидой Берковича при комнатной температуре на ионных и ковалентных кристаллах (1лР, 81), керамике (2Ю2) и полимере (ПММА) в диапазоне нагрузок до 102 мН и полной длительностью импульса нагружения от 0,1 до 100 с, на специально разработанной установке. В условиях действия ступенчато-нарастающей силы с высоким пространственным (до 1 нм) и временным (до 100 мкс) разрешением исследована кинетика формирования отпечатка (рис. 1), определены кинетические (скорость внедрения индентора - V, скорость относительной деформации - £, силовые (су) и активационные (величина активационного объема - у) параметры процесса формирования отпечатка.

Выявлено, что на каждом этапе постоянства величины приложенной силы при ступенчато-нарастающей нагрузке отпечаток формируется в несколько стадий (в зависимости от типа исследуемого материала и скорости нагружения), отличающиеся характерными временами, кинетическими и активационными параметрами.

Для всех выявленных стадий определены кинетические параметры, а также значения динамической твердости и скорости относительной деформации материала. Проведенный активационный анализ выявленных стадий позволил определить активационные параметры, выявить спектр структурных дефектов и предложить микромеханизмы массопереноса материала из-под индентора. Показано, что начальные стадии обусловлены пластической деформацией за счет моно-атомных микромеханизмов массопереноса, которые затем сменяются для Хх02 стадиями скоррелированного движения отдельных атомов (краудионная пластичность), а для ЫР - дислокационной пластичностью. Для ПММА движения отдельных боковых групп макромолекулы на начальных стадиях сменяются движением хребтовых звеньев макромолекулы - на завершающих стадиях.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант № 01-02-16573) и Министерства образования РФ, грант в области естественных наук (шифр №Е02-3.4-263).