Лаборатория динамического нанотестинга поверхности

УДК 006.16

ЛАБОРАТОРИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО НАНОТЕСТИНГА ПОВЕРХНОСТИ

© А.И. Тюрин

1.1. Сотрудники лаборатории

В настоящее время в лаборатории динамического нанотестинга поверхности работает 5 сотрудников (Ю.И. Головин - заслуженный деятель науки РФ, д.ф.-м.н., профессор; А.И. Тюрин - к.ф.-м.н., доцент;

В.И. Иволгин - к.ф.-м.н., профессор; В.В. Коренков -к.ф.-м.н., доцент; Э.А. Бойцов - к.ф.-м.н.), 2 аспиранта (В.В. Шиндяпин и М.А. Юнак) кафедры ТЭФ, а также 6 студентов 2-4 курсов специальностей «Физика» и «Медицинская физика» ИМФИ ТГУ им. Г.Р. Державина (А.П. Занина, А.П. Занин, А.В. Купряшкин, М.О. Воробьев, И.Ю. Шуварин, М.А. Писецкий).

Руководит работой лаборатории к.ф.-м.н., доцент А. И. Тюрин.

1.2. История создания.

Цели и задачи лаборатории

1.2.1. Создание лаборатории динамического нанотестинга поверхности кафедры теоретической и экспериментальной физики ИМФИ ТГУ им. Г.Р. Державина началось с первых работ по исследованию кинетики внедрения твердого пирамидального наконечника («индентора») в поверхность твердых тел (ФТТ, 1988). Наиболее активно работа лаборатории начинается с 1991 г. За время ее существования сотрудниками и аспирантами лаборатории было защищено 6 диссертационных работ.

1.2.2. Необходимость создания лаборатории для проведения исследований в области динамического нанотестинга обусловлена возросшим в последнее время интересом к исследованию поведения (деформации) различных материалов в микро- и субмикрообъемах при действии высоких локальных напряжений.

Цель научно-исследовательских работ лаборатории заключается в исследовании динамики и микромеханизмов микро- и наноконтактной деформации при действии высоких локальных напряжений новым методом динамического микро- и наноиндентирования.

При этом решаются конкретные задачи исследования:

1) разработка методик и создание экспериментальных условий для исследования динамики и микромеханизмов, а также сопутствующих электрических процессов микро- и наноконтактной деформации при действии высоких локальных напряжений в широком диапазоне скоростей относительной деформации, размеров зоны пластической деформации и температур;

2) выявление основных кинетических закономерностей и определение параметров, определяющих мик-

ро- и наноконтактную деформацию, и сопутствующих электрических явлений при действии различных видов высоких локальных напряжений в широком диапазоне скоростей относительной деформации (10-3 - 105 с-1), размеров зоны пластической деформации (30 нм -5 мкм) и температур ( 193-400 К);

3) определение величины динамической твердости в зависимости от скорости относительной деформации, размера сдеформированной зоны и температуры и разделение вкладов размерного и скоростного факторов в формирование числа твердости при различных видах наноконтактного взаимодействия;

4) установление влияния скорости относительной деформации, размера сдеформированной зоны и температуры на пластичность и прочность (величину динамической твердости, коэффициент скоростной чувствительности твердости, модуль Юнга, коэффициент трещиностойкости - К1с, размер трещины, параметр Палмквиста, микрохрупкость, поверхностную энергию разрушения и др.) материала при различных видах микро- и наноконтактного взаимодействия в условиях действия высоких локальных напряжений;

5) установление преимущественного направления перемещения материала (вглубь материала или к свободной поверхности) при микро- и наноконтактном взаимодействии в зависимости от скорости относительной деформации и определение доли материала, вытесненного в навал и уплотненного в зоне деформирования;

6) определение доли энергии, рассеиваемой при различных видах микро- и наноконтактного взаимодействия в процессе пластической деформации материала, и сопоставление ее с энергией образования и перемещения различных типов структурных дефектов;

7) выявление спектра структурных дефектов, установление доминирующих микромеханизмов массопе-реноса и определение количественной доли материала, деформируемого различными микромеханизми при микро- и наноконтактной деформации в условиях действия высоких локальных напряжений.

Кроме научных задач лаборатория ставит перед собой также и общественные задачи:

1) повышение качества образования;

2) улучшение кадрового состава;

3) укрепление связи процесса образования с реальной жизнью;

4) расширение научных и прикладных исследований, коммерциализация разработок;

5) поощрение и развитие инновационной деятельности.

1.3. Достижения сотрудников лаборатории динамического нанотестинга поверхности

1.3.1. Основные научные результаты, полученные сотрудниками лаборатории

За время работы лаборатории динамического нанотестинга поверхности ее сотрудниками получены следующие основные научные результаты.

1. Разработана аппаратура для динамического на-ноиндентирования (высокоскоростной динамический нанотестер) по временному разрешению превышающий возможности нанотестеров известных мировых фирм. Разрешающая способность прибора составляет: по пространственному перемещению - 0,1 нм, по нагрузке - 10 мкН и времени дискретизации отсчетов -50 мкс.

2. Обоснованы и разработаны новые методики динамического наноиндентирования, позволяющие в условиях действия импульсов нагружения различной формы (прямоугольной, трапецеидальной, ступенчато -нарастаюший и др.) моделировать элементарные акты реальных кратковременных наноконтактных процессов.

3. Выявлены основные кинетические закономерности и определены параметры, определяющие микро-и наноконтактную деформацию, и параметры сопутствующих электрических явлений при действии различных видов высоких локальных напряжений в широком диапазоне скоростей относительной деформации (10-3 - 105 с-1), размеров зоны пластической деформации (30 нм - 5 мкм) и температур (193-400 К).

4. Определены величины динамической твердости в зависимости от скорости относительной деформации, размера сдеформированной зоны и температуры и разделены вклады размерного и скоростного факторов в формирование числа твердости при различных видах наноконтактного взаимодействия.

5. Установлено влияние скорости относительной деформации, размера сдеформированной зоны и температуры на пластичность и прочность (величину динамической твердости, коэффициент скоростной чувствительности твердости, модуль Юнга, коэффициент трещиностойкости - К1с, размер трещины, параметр Палмквиста, микрохрупкость, поверхностную энергию разрушения и др.) материала при различных видах микро- и наноконтактного взаимодействия в условиях действия высоких локальных напряжений.

6. Установлено преимущественное направление перемещения материала (вглубь материала или к свободной поверхности) при микро- и наноконтактном взаимодействии в зависимости от скорости относительной деформации и определена доля материала, вытесненного в навал и уплотненного в зоне деформирования.

7. Определены доли энергии, рассеиваемой при различных видах микро- и наноконтактного взаимодействия в процессе пластической деформации материала, и она сопоставлена с энергией образования и перемещения различных типов структурных дефектов.

8. Выявлен спектр структурных дефектов, установлены доминирующие микромеханизмы массопере-носа и определена количественная доля материала, деформируемого различными микромеханизми при микро- и наноконтактной деформации в условиях действия высоких локальных напряжений в широком клас-

се материалов (ионные и ковалентные кристаллы, металлы, металлические сплавы, объемные аморфные металлические сплавы, керамики, полимеры).

1.3.2. Участие в научных конференциях и выставках Сотрудники лаборатории динамического нанотестинга поверхности регулярно участвуют в научных конференциях, симпозиумах и семинарах различного уровня.

Всего за время работы лаборатории ее сотрудники участвовали примерно в 80 научных конференциях: Вторая республиканская конференция молодых исследователей (Кишинев, 1989); V Всесоюзный семинар «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (Свердловск, 1990); Sixth

Europhysical Topical Conference “Lattice Defekts in Ionic Materials” (Groningen the Netherlands, 1990); National Conference of Physics (Brashov, 1991); III Международная конференция «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 1994); E-MRS, 1995 и 1997; Московский научный семинар (Москва, 1998); Международная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 1996, 2000, 2003, 2007); Международная конференция по росту и физике кристаллов, посвященная памяти М.П. Шаскольской (Москва, 1998); 10-я Международная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1999); XXXVII Международный семинар «Актуальные проблемы прочности» (Киев, 2001); “International Indentation Workshop 2”, IIW 2 (Cavendish Laboratory Cambridge, UK, 2001); X Всероссийская конференция «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2002); IV International

Conference on Mechanochemistry and Mechanical Allowing (Germany, Brawnschweig, 2003); Всероссийская конференция «Нанотехнологии» (Москва, ВВЦ, 2003); The 10-th International Conference on EXTENDED DEFECTS IN SEMICONDUCTORS (EDS 2004) (Chernogolovka, 2004); International Symposium “Metastable, Mechanical Alloying and Nanocrystalline materials”, ISMANAM 2001 (USA, 2001) и ISMANAM

2004 (Suzuki, Япония, 2004); 1-й Международный форум «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2005); Петербургские чтения по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2002-2008), 1-я Международная школа «Метрология и стандартизация в нанотехнологиях и наноиндустрии. Наноматериалы» (Москва, 2008) и др.

1.3.3. Участие в конкурсах грантов Минобразования РФ, РФФИ, РГНФ и других российских и зарубежных фондов Сотрудники лаборатории являются победителями и исполнителями ряда грантов Министерств РФ (МО РФ, Минпромнауки), фондов (РФФИ, РГНФ, фонда Бортника и др.) - всего 15 грантов с общим объемом финансирования около 10 млн руб.

Руководители грантов: Ю.И. Головин; А.И. Тюрин;

Н.В. Коренкова; В.И. Иволгин; В.В. Шиндяпин. Сведения о защите кандидатских диссертаций За время работы лаборатории ее сотрудниками защищено 6 кандидатских диссертаций по специальности 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния»:

Тюрин А.И. Динамика и микромеханизмы образования отпечатка при импульсном индентировании кристаллов. г. Воронеж, ВГТУ, 1995 г.;

Коренков В.В. Исследование время-зависимых механических свойств твердых тел в субмикрообъемах методом динамического микро- и наноиндентирования. г. Тамбов, ТГУ им. Г.Р. Державина, 2002 г.;

Бойцов Э.А. Динамика пластической деформации при микро- и наноиндентировании. г. Тамбов, ТГУ им. Г.Р. Державина, 2003 г.;

Коренкова Н.В. Фазовые превращения в субмикрообъемах твердых тел при циклическом микро- и нано-индентировании. г. Тамбов, ТГУ им. Г.Р. Державина, 2003 г.;

Власов А.А. Выявление закономерностей неустойчивой пластической деформации и кристаллизации методами анализа кинетических временных рядов. г. Тамбов, ТГУ им. Г.Р. Державина, 2004 г.;

Хлебников В.В. Роль масштабного и временного факторов в формировании физико-механических свойств микро- и наноконтактов. г. Тамбов, ТГУ им. Г.Р. Державина, 2005 г.

1.3.4. Премии, награды, дипломы

Сотрудники лаборатории динамического нанотестинга поверхности неоднократно поощрялись наградами различного уровня - от внутревузовского до всероссийского:

2001 год: Бойцов Э.А., Коренкова Н.А., Потапов С.В. -дипломы Международной молодежной научной конференции «XXVII Гагаринские чтения», Москва -2001;

2004 год: Ефимченко В.С. - диплом I степени X Всероссийской научной конференции студентов-фи-зиков, Москва - 2004;

Юнак М.А. - именная стипендия ТГУ им. Г.Р. Державина за отличную успеваемость и активную научную работу, 2004 г.;

2005 год: Юнак М. А. - стипендия президента РФ,

2005 г.;

Тюрин А. И. - почетная грамота Министерства образования и науки РФ.

2007 год: Поверинова Г.В., Купряшкин А.М. - дипломы IV Международной школы-конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тамбов - 2007 г.

2008 год: Головин Ю.И. - Золотая медаль ВВЦ г. Москва, за разработку универсального нанотестера;

Головин Ю.И. - Золотая медаль ТГУ им. Г.Р. Державина «За заслуги перед университетом»;

Головин Ю. И. - диплом победителя областного конкурса «Ведущие научные школы Тамбовской области»;

Шиндяпин В.В. - 1 место в конкурсе «УМНИК» фонда Бортника по программе 2008 г.;

Занин А.П. и Занина А. П. - грамоты за активное участие во 2-й Всероссийской Интернет-олимпиаде по нанотехнологиям «Нанотехнологии - прорыв в будущее» - Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2008 г.

1.3.5. Основные научные публикации сотрудников лаборатории:

За время работы лаборатории ее сотрудниками опубликовано ряд монографий, более 300 научных

статей в периодической печати и около 500 тезисов докладов научных конференций, семинаров и симпозиумов.

Основные публикации сотрудников лаборатории:

1. Головин Ю.И., Шибков А.А., Боярская Ю.С., Кац М.С., Тюрин А.И. Импульсная поляризация ионного кристалла при динамическом индентировании // ФТТ. 1988. № 11. С. 3491-3493.

2. Boyarskaya Yu.S., Katz M.S., Tyurin A.I. Temperature dependence of charge transfered by dislocations in KCl:Ba crystals // Radiation Effects and Defects in Solids. 1991. V. 119-121. P. 879-884.

3. Boyarskaya Yu.S., Golovin Yu.I., Katz M.S., Shibkov A. A., Tyurin A.I. The electrical phenomena and microindentation dynamics of LiF single crystals // Physica Status Solidi (a). 1992. V. 130. P. 319-325.

4. Боярская Ю.С., Кац М.С., Тюрин А.И. Псевдоподвижность дислокаций в поле напряжений сосредоточенной нагрузки // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. Вып. 1. С. 13-16.

5. Боярская Ю.С., Кац М.С., Тюрин А.И. О тер-мофлуктационном и квазивязком движении дислокационных ансамблей в поле напряжений сосредоточенной нагрузки // Кристаллография. 1992. Т. 37. Вып. 4. С. 1044-1046.

6. Головин Ю.И., Тюрин А.И. О межузельных механизмах пластического течения на начальной стадии погружения индентора при микроиндентировании // Письма в ЖЭТФ. 1994. Т. 60. Вып. 10. С. 722-726.

7. Головин Ю.И., Тюрин А.И. О динамике и микромеханизмах начальной стадии погружения индентора при микроиндентировании кристаллов // ФТТ. 1995. № 5. С. 1562-1565.

8. Головин Ю.И., Тюрин А.И. Динамика и микромеханизмы ранних стадий внедрения жесткого инден-тора при микроиндентировании ионных кристаллов // Кристаллография. 1995. Т. 40. № 5. С. 884-888.

9. Головин Ю.И., Тюрин А.И. Динамика начальной стадии микроиндентирования ионных кристаллов // Известия РАН. Серия Физическая. 1995. Т. 59. № 10. С. 49-54.

10. Головин Ю.И., Тюрин А.И. Динамика и микромеханизмы деформирования ионных кристаллов при импульсном микроиндентировании // ФТТ. 1996. № 6. С. 1812-1819.

11. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин А.И. Динамика формирования отпечатка и дислокационной розетки при импульсном микроинденти-ровании ионных кристаллов // ФТТ. 1997. Т. 39. № 2. С. 318-319.

12. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин А.И. Определение время-зависимых пластических свойств твердых тел посредством динамического наноиндентирования // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. Вып. 16. С. 15-19.

13. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин А.И. Динамическая микротвердость металлов Al, Pb и аморфного сплава Co50Fe35B15 // ФММ. 1999. № 6. С. 103-107.

14. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин А.И. Новые принципы, техника и результаты исследования динамических характеристик твердых тел в микрообъемах // ЖТФ. 2000. Т. 70. Вып. 5. С. 8291.

15. Головин Ю.И., Тюрин А.И. Недислокационная пластичность и ее роль в массопереносе и формировании отпечатка при динамическом индентировании // ФТТ. 2000. T. 42. Вып. 10. С. 1818-1820.

16. Golovin Yu.I., Ivolgin V.I., Khonik V.A., Kitagawa K., Tyurin A.I. Serrated Plastic Flow during Nanoindentation of a Bulk Metallic Glass // Scripta Materialia. 2001. Т. 45. C. 947-952.

17. Golovin Yu.I., Tyurin A.I and Farber B.Y. Time-dependent characteristics of materials and micromechnisms of plastic deformation on a submicron scale by a nev pulse indentation technique // Philosophical Magazine A. 2002. V. 82. № 10. Р. 1857-1864.

18. Golovin Yu.I., Tyurin A.I. and Farber B.Y. Investigation of time-dependent haracterististics of matarials and micromechanisms of plastic deformation on a submicron scale by a new pulse indentation technique // Jornal of Materials Science. 2002. V. 37. Р. 895-904.

19. Golovin Yu.I., Ivolgin V.I., Korenkov V.V., Tyurin A.I., Farber B.Ya. Modeling of Fast Microcontact Interactions of Solids during Milling, Mechanical Alloying and Mechanical Activation by Dynamic Nanoindentation Technique // Materials Science Forum. 2002. V. 386-388. P. 141-146.

20. Головин Ю.И., Тюрин А.И. Микро- и нанокон-тактное взаимодействие твердых тел // Российская наука: «Природой здесь нам суждено...»: сб. науч.-попул. ст. / под ред. акад. В.П. Скулачева. М.: Изд-во «Окто-пус», 2003. С. 34-46.

21. Головин Ю.И., Тюрин А.И., Иунин Ю.Л. Скоростная чувствительность твердости кристаллических материалов в условиях наноиндентирования // Докл. АН. 2003. Т. 392. № 3. С. 336-339.

22. Головин Ю.И., Дуб С.Н, Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин Л.И. Hecтaбильноcть пластической деформации твердых тел в микро- и нанообъемах // Известия РЛК Серия Физическая. 2004. Т. б8. № 10. С. 1428-14ЗЗ.

23. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин Л.И. Динамическое наноиндентирование как метод исследования и характеризации механических свойств материалов в нанометровом диапазоне // Щно-техника. 2004. № 1. С. 7б-78.

24. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Тюрин Л.И., Потапов С.В., Бенгус В.З., Табачникова Е.Д. О соотношении монотонной и скачкообразной деформации объемного аморфного сплава Zr46.8Ti8Cu7.5Ni10Be27.5 при наноиндентировании // Кристаллография. 200S. Т. S0. № 1. С. 1S9-164.

25. Головин Ю.И., Тюрин Л.И., Хлебников В.В. Влияние режимов динамического наноиндентирования на коэффициент скоростной чувствительности твердых тел различной структуры // ЖТФ. 200S. Т. 7S. Вып. 4.

С. 91-9S.

26. Головин Ю.И., Дуб С.H., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин Л.И. Кинетические особенности деформирования твердых тел в нано- и микрообъемах // ФТТ. 200S. Т. 47. Вып. б. С. 9б1-97З.

27. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М.: Машиностроение, 200З. 112 с.

28. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. 49б с.

Поступила в редакцию З июня 2009 г.