Изучение механизмов пластической деформации при ползучести в субмикрообъемах методом динамического наноиндентирования

ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ В СУБМИКРООБЪЕМАХ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ

© А.И. Тюрин, М.А. Юнак

Достаточно большое количество пластических свойств твердых тел исследуются при действии на материал постоянного усилия. При этом изучение процессов ползучести помогает понять механизмы пластической деформации, протекающие в различных материалах под влиянием разных условий (температурных, механических, магнитных и др.).

Применительно к индентированию методика ползучести может быть реализована посредством приложения к индентору импульса нагрузки трапецеидальной формы. Она заключается в приложении к инденто-ру нарастающей нагрузки (с варьируемым фронтом и амплитудой), последующем выдерживании материала при постоянной нагрузке и дальнейшей разгрузке отпечатка.

Такая методика может позволить исследовать процессы ползучести в субмикрообъемах при динамическом наноиндентировании.

Поэтому цель работы заключалась в исследовании кинетики процесса ползучести в ЫГ и ПММА в зависимости от времени нарастания нагрузки и температуры индентирования.

Установлено, что ползучесть в ЫГ и ПММА на плато нагрузки проходит в две стадии.

В ЫГ кинетика первой стадии (характерное время Г до 7-8 с) зависит от скорости нагружения, а второй (8 с < Г < 20 с) - практически нет. Проведен активационный анализ выявленных стадий ползучести. Показано, что на первой стадии величина активационного объема у изменяется от 5 • 10-29 до 10-28 м3, а на второй -составляет величину порядка 10-27 м3. Полученные значения величины у соответствуют переходу от моно-

атомных к дислокационным механизмам течения в этих условиях.

В ПММА скорость нагружения также влияет на кинетику I стадии (характерное время Г составляет 4-5 с) и практически не влияет на кинетику второй (5 с < Г < 20 с). Проведенный активационный анализ при комнатной температуре показал, что величина у меняется на первой стадии от 10-28 до 5 • 10-28 м3, а второй стадии остается неизменной ~ 5-10-28 м3. Полученные значения у сопоставимы с объемом хребтового звена макромолекулы ПММА. Это свидетельствует в пользу того, что на стадии ползучести пластическая деформация ПММА обусловлена движением хребтовых сегментов макромолекулы.

Температурные исследования ползучести (в интервале от 25 до 116 °С) при постоянном времени нарастания силы позволили определить кинетику формирования отпечатка и процесса ползучести, а также определить скоростные (скорость внедрения индентора и скорость относительной деформации), силовые (контактные напряжения и динамическая твердость) и активационные (энергия активации и активационный объем) параметры. Показано, что в ПММА процесс формирования отпечатка обусловлен деформацией материала за счет движения отдельных боковых или хребтовых звеньев макромолекулы (в зависимости от времени нарастания нагрузки, стадии индентирования и температуры).

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 04-02-17198 и Министерства образования РФ, грант в области естественных наук (шифр Е02-3.4-263).

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ В PbWO4

© А.И. Тюрин, В.В. Коренков, Г.В. Поверинова

Динамическое индентирование является одним из актуальных методов исследования прочности, хрупкости, пластичности твердых тел. Этот метод позволяет проводить эксперименты с высоким пространственным (до 1 нм) и временным (до 50 мс) разрешением в мик-ро- и нанообъеме без разрушения всего образца. При этом о величине трещиностойкости, как характеристи-

ке хрупкости, судят по количеству и длине трещин около отпечатка.

Цель данной работы исследовать влияние скорости относительной деформации е и величины приложенной нагрузки Р на коэффициент интенсивности напряжений первого рода при динамическом индентирова-нии РЪШ04.

Испытания проводились на специально разработанной установке по динамическому индентированию. В качестве индентора использовалась стандартная пирамида Берковича. Диапазон скоростей относительной деформации е составлял от 10-2 до 102 с-1. Установлено, что в исследованном материале при постоянной температуре и нагрузке Р = 158 мН трещины около отпечатка появляются в интервале е от 0, 05 до 100 с-1 и отсутствуют при е от 0,01 до 0,05 с-1.

При постоянной глубине пластического отпечатка кс = 1,73 мкм трещины образуются в том же интервале скоростей относительной деформации. Коэффициент трещиностойкости К1с = 0,054 МПа-м1/2 в диапазоне е от 0,05 до 100 с-1 начинает интенсивно возрастать при е < 0,05 с-1 (рис. 1).

Таким образом, в данной работе установлена зависимость длины трещины С и коэффициента трещиностойкости К1с РЪШ04 в зависимости от глубины, величины действующей силы и скорости относительной деформации.

Рис. 1. Зависимость К1с от скорости относительной деформации 8 при постоянной глубине отпечатка Нс = 1,73 мкм

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 04-02-17198 и Министерства образования РФ, грант в области естественных наук (шифр Е02-3.4-263).

НЕУСТОЙЧИВАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ И РАЗРУШЕНИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В ПРОЦЕССЕ НЕПРЕРЫВНОГО ВДАВЛИВАНИЯ ИНДЕНТОРА © В.В. Коренков, Н.В. Коренкова

Как известно, макроскопическая пластическая деформация всегда является результатом громадного числа взаимообусловленных динамических процессов в дефектной структуре материала. Ввиду большого числа таких событий в единицу времени и инерционности традиционных механических средств испытания материалов реальная кинетика пластического течения, заложенная природой на микроуровне, маскируется, что затрудняет ее обнаружение и исследование.

Интенсивное развитие в последнее десятилетие методов атомно-силовой микроскопии и динамического наноиндентирования обеспечило возможность исследования механических свойств в нанообъемах, а в пределе - на уровне отдельных молекул или небольших групп атомов. Это дало возможность по-новому взглянуть на ряд фундаментальных нерешенных проблем физики прочности и пластичности.

Механические свойства большинства материалов испытывают значительные изменения в субмикронных масштабах, особенно сильные в областях с характерными размерами Ь < 100 нм. Отсюда вытекает необходимость их изучения, выяснения физических причин и механизмов масштабных эффектов и кинетических процессов в этих условиях. В работе представлены данные, относящиеся к процессам фазовых превращений и зарождения микротрещин в различных кристаллических, ква-зикристаллических и аморфных материалах в условиях локального деформирования субмикрообъемов.

Для исследования механических свойств и поведения различных твердых тел в наношкале в работе ис-

пользовался метод динамического наноиндентирова-ния. Он заключается в прецизионном локальном нагружении поверхности материала хорошо аттестованным острым зондом (алмазным индентором Берковича с радиусом сферического притупления вершины Я ~ 150 нм) с одновременной непрерывной регистрацией кинетики его погружения. Непрерывное наноинден-тирование обеспечивает сканирование по размерам деформированной области и скорости относительной деформации на несколько порядков величины во время одного испытания. Это позволяет получить большой объем информации с одного образца, не разрушая его.

Результаты были получены с помощью нескольких моделей нанотвердомеров, отличающихся своими техническими характеристиками и возможностями: ультрамикротвердомера БиН-Ш201Е фирмы 8Ыта<17и и динамических нанотвердомеров оригинальной конструкции, разработанных в лаборатории наномеханики ТГУ. Последние, наряду с высокой разрешающей способностью по смещению индентора (~ 0,1 нм), обеспечивали дискретизацию отсчетов на уровне до 50 мкс (против 50 мс у БиН-Ш201Е).

Исследования микроструктуры и аттестацию ин-денторов в работе проводили на атомно-силовом микроскопе Бо1уег-Ь8, работавшем в бесконтактной и латеральной моде. Это позволяло визуализировать отпечатки глубиной до 50 нм и исследовать тонкую структуру поверхности как вокруг отпечатка, так и внутри него.