Соотношение межузельной и дислокационной пластичности при микровдавливании

По ориентировочным оценкам, в пластичных материалах соотношение дислокационного и междоузельного выносов материала из-под индентора сравнимы друг с другом. Так как большие градиенты нормальных напряжений наблюдаются лишь вблизи от места воздействия индентора, вынос материала за счет междоузельных атомов осуществляется на меньшие расстояния, чем в случае дислокационных розеток. Диаметр области междоузельной пластичности примерно в два-три раза превышает размер лунки, дислокации же в зависимости от свойств материала могут перемещаться как на меньшие, так и на существенно большие расстояния [38].

При вдавливании жесткого индентора в кристаллы и другие материалы возникает сложное напряженное состояние, происходят упругая и пластическая деформации, в хрупких веществах образуются микрои макротрещины — развиваются картины разрушения.

Вклад различных составляющих в сопротивление материала деформированию зависит как от свойств материала, так и от условий деформирования (температуры и скорости инденгирования, типа индентора, времени выдержки индентора под нагрузкой и т. п.).

Вопрос о механизме образовании отпечатков на разных материалах является дискуссионным. Для таких пластичных материалов, как металлы, общепризнанно, что отпечаток образуется путем обычной дислокационной пластичности. Однако для ионных кристаллов, а тем более для ковалентных полупроводников, инденгирование которых при температурах Т < 0,4Т_{плавлеш1Я} не сопровождается развитием дислокационных розеток, возможно несколько различных механизмов образования отпечатков: дислокационная пластичность, междоузельная пластичность, фазовый переход полупроводник-металл под индентором и другие.

Возникающие в подобных условиях высокие градиенты напряжений и деформаций могут сильно повлиять на механизмы пластического течения. Зачастую даже неясно, в каком направлении перемещается материал из-под индентора. Считается, что в пластичных материалах (например, в гранецентрированных кубических металлах) он вытекает из-под индентора в сторону свободной поверхности, образуя так называемые навалы. Однако в хрупких материалах навалы отсутствуют, и в действительности массоперенос направлен в объем, что должно уплотнять материал в зоне локальной деформации.

Существует множество убедительных независимых свидетельств растущей роли потоков неравновесных точечных дефектов в массопереносе при уменьшении размеров пятна контакта. Имеется также множество прямых доказательств существенного изменения структуры материалов под индентором (особенно в высокопрочных материалах) в результате аморфизации, фазовых переходов, образования нанокристаллической структуры. Однако в существующих теориях твердости, исходящих исключительно из дислокационных механизмов пластической деформации, эти обстоятельства до сих пор не нашли адекватного отражения и учета. Важная информация о свойствах материала заключается в неоднородности сопротивления вдавливанию микроскопических объемов материала, например, по зависимости коэффициента вариации микротвердости от глубины отпечатка могут быть оценены характер распределения пор (структурных составляющих) по размерам и общая пористость [38].

В работе [41] показано, что при действии сосредоточенной нагрузки возникающие под индентором сверхвысокие напряжения релаксируют за счет образования и перемещения междоузельных атомов, что приводит к перестройке структуры с образованием нанокристаллического состояния. Такая перестройка сопровождается сильными изменениями стехиометрии и физических свойств материала под индентором. Именно образование объема с нанокристаллической структурой определяет энергетику процесса микровдавливания. Образование и перемещение дислокаций вокруг отпечатка рассматривается как вторичный процесс релаксации напряжений.

В связи с вышеприведенными исследованиями авторы предлагают использовать определение понятия твердости, данное А. П. Ребиндером, согласно которому твердость есть величина, равная работе, необходимой для образования единицы новой поверхности твердого тела, т. е. твердость определяется способностью материалов деформироваться в полях механических напряжений с образованием более мелких зерен. Подобное определение не признавалось правильным, так как не удавалось экспериментально показать, что твердость действительно равна работе диспергирования, особенно при статическом вдавливании.

Пластическое деформирование в реальных кристаллах осуществляется путем последовательного перемещения дисклокаций. Дислокация легко движется в той плоскости, в которой находятся дислокационная линия и ее вектор Бюргерса.

Перемещение краевой дислокации при сдвиге на одно межатомное расстояние представляет собой согласованную перегруппировку атомов около дислокации и не сопровождается диффузионным переносом массы. Под действием касательного напряжения ряд атомов, образующих дислокационную линию, вытесняет ближайший ряд атомов в соседней плоскости. Этому способствуют упругие искажения кристалла около дислокации, облегчающие разрыв старых и образование новых межатомных связей. При вытеснении ближайшего ряда атомов плоскость кристалла разделяется на две части: одна часть объединяется с избыточной полуплоскостью в целую плоскость, другая — «принимает» дислокацию и становится избыточной полуплоскостью. Перемещаясь каждый раз на величину вектора Бюргерса, одно межатомное расстояние, дислокация, в конце концов, выйдет на поверхность кристалла, и здесь появится ступенька, по высоте равная единичному вектору Бюргерса. Так как в плоскости скольжения движутся десятки и сотни дислокаций, то в результате их вывода на поверхность высота ступеньки будет увеличиваться.

Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольжения. Деформация развивается неоднородно, линии скольжения располагаются на различном расстоянии одна от другой. Группы близко расположенных линий скольжения образуют полосы скольжения [23].

(На рис. 4.7 показаны полосы скольжения в керамике ZrB₂, образовавшиеся при индентировании пирамидой Берковича.).