WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 12 Механическое поведение Ti–Zr–Ni-квазикристаллов при наноиндентировании © В.М. Ажажа, С.С. Борисова, С.Н. Дуб, С.В. Малыхин, А.Т. Пугачёв, Б.А. Мерисов, Г.Я. Хаджай Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ „Харьковский физико-технический институт“, 61108 Харьков, Украина Национальный технический университет „Харьковский политехнический институт“, 61002 Харьков, Украина Институт сверхтвердых материалов Национальной академии наук Украины, Киев, Украина Харьковский национальный университет, 61077 Харьков, Украина E-mail: Malykhin@kpi.kharkov.ua (Поступила в Редакцию 29 октября 2004 г.

В окончательной редакции 18 апреля 2005 г.) Представлен сравнительный анализ параметров и механизмов деформации квазикристалла Ti41.5Zr41.5Ni17 и монокристаллов W+12 at.% Ta в условиях наноиндентирования. Установлено, что деформация квазикристалла происходит сначала упруго-пластически, а начиная с некоторой критической нагрузки, носит ступенчатый характер с чередованием участков медленной упругопластической и быстрой пластической деформации.

Предложена качественная модель пластической деформации квазикристаллов при наноиндентировании.

Работа финансировалась Swiss National Science Foundation (project 7UKPJ062171) и Science and Technology Center in Ukraine (projerct 1997).

1. Введение вой наноиндентирования, связываемые с зарождением отдельных дислокаций [16–18]. Кроме того, выявлены Со временем открытия Шехтманом и др. ква- тонкие эффекты деформационно обусловленной кризикристаллической структуры [1] достигнуты значи- сталлизации аморфного сплава непосредственно вблительные успехи в понимании механизмов пластиче- зи пятна индентирования [9] и фазового превращения ской деформации квазикристаллических (QC) матери- „полупроводник–металл“ в монокристалле кремния при алов [2,3]. Большинство работ по исследованию меха- нагрузке 12 mN под индентором [20].

нических свойств квазикристаллов посвящено экспери- Ступенчатый характер кривой „нагрузка–перемещементам на растяжение–сжатие при повышенных темпе- ние индентора“ в упругопластической области выявлен в квазикристаллах системы Al-Cu-Fe [21,22]. В нашей ратурах [4–8]. Доказано, что пластическая деформация последней работе [23] показано, что подобная дисквазикристаллов при высоких температурах осуществлякретность кривой деформации при наноиндентировании ется путем зарождения и движения дислокаций [1,4–7].

характерна и для квазикристаллов i-Ti–Zr–Ni.

При комнатной температуре квазикристаллы являются Цель настоящей работы — дальнейшее изучение хрупкими материалами. Это объясняется отсутствием особенностей пластического поведения квазикристаллов трансляционного порядка и наличием сильных связей Ti–Zr–Ni при наноиндентировании, а также построение между атомами, объединенными в кластеры. Многочискачественной (феноменологической) физической модели ленные несоразмерные масштабы длин в квазикристалпроцесса деформации квазикристалла по сравнению с лах и отсутствие малых повторяющихся периодических монокристаллом.

ячеек делают движение дислокаций весьма затруднительным [1,4,9–11]. Температура перехода „хрупкость– пластичность“ составляет 70-80% от температуры 2. Методика эксперимента ликвидуса (600-750C) [1,12].

Одним из продуктивных методов механического ис- В качестве образцов использовались ленты сплавов пытания является наноиндентирование. Помимо опреде- Ti41.5Zr41.5Ni17, Ti45Zr38Ni17 и Ti53Zr27Ni20, полученные ления нанотвердости и модуля Юнга метод позволяет способом скоростной закалки, подробно описанным исследовать природу и механизмы деформациии в режи- в [23,24]. Для выявления особенностей механического ме реального времени в локальной микрообласти [13].

поведения квазикристаллов по сравнению с обычныВ частности, при наноиндентировании выявлены дис- ми кристаллами был выбран образец монокристалла кретные образования изолированных полос сдвига в W+12 at.% Ta (111), твердость которого по предвариметаллических стеклах [14,15]. Для кристаллических тельным оценкам была близка к твердости квазикристалматериалов обнаружены „всплески“ смещения на кри- лических образцов.

Механическое поведение Ti–Zr–Ni-квазикристаллов при наноиндентировании Контроль элементного состава производился методом 3. Результаты рентгеновской флюоресценции и энерго-дисперсионной По результатам рентгено-флуоресцентного анализа рентгеновской спектроскопии с точностью не хуже 0.5%.

элементный состав образцов практически соответствоВ качестве основного метода исследования структуры вал приведенным выше химическим формулам. При образцов использовался метод рентгеноструктурного точности измерения не хуже 0.5 at.% отклонение от анализа. Кристаллические фазы выявились путем сравноминального состава по поверхности и глубине лент не нения спектров рентгеновской дифракции с данными превышало 1.5 at.%. Размер зерен, оцененный по снимкартотеки JCPDS [25]. Квазикристаллическая фаза иденкам СЭМ, составлял от 1 до 20 µm (рис. 1). Из рисунка тифицировалась в соответствии с методикой J.W. Cahn видно, что многие зерна имеют форму неправильных et al. [26–28]. Структура квазикристалла характеризовапятиугольников с относительно гладкими границами.

лась периодом решетки в шестимерном (гиперкубичеПо данным рентгеноструктурного анализа, во всех ском) пространстве, величина которого a6D связана с исследованных лентах квазикристаллическая икосаэдмодулем дифракционного вектора Q соотношением рическая фаза (i-QC) оказалась преобладающей. Типичные дифрактограммы представлены в предыдущих работах [23,24] и результаты находятся в хорошем 2 sin 1 N + M 1 N + M Q = = =, (1) согласии с диаграммой равновесия, приведенной в ра a6D 2(2 + ) aq 2 + ботах [32–36], и с данными других авторов [37–39]. Однофазные квазикристаллические образцы соответствуют где = 1.618... — иррациональное „золотое сечесоставу Ti41.5Zr41.5Ni17. Они характеризуются наибольние“, aq — параметр квазикристалличности в трехшими значениями параметра квазикристалличности aq, мерном пространстве, (N, M) — индексы отражений периода a6D и размера областей когерентного рассеяния.

по Кану [26]. Размер областей когерентного рассея- Характерные кривые „нагрузка–перемещение инденния (ОКР, L) оценивался по ширине дифракционных тора“ (P-h-кривые) для однофазного квазикристаллилиний методом аппроксимации. Дополнительно приме- ческого образца Ti41.5Zr41.5Ni17 и кристалла W + 12% Ta (111) представлены на рис. 2. Хотя в первом цикле нялся метод сканирующей электронной микроскопии наноиндентирования кривые качественно подобны, на (РЭММА-101А).

стадии разгрузки для квазикристалла наблюдается боМеханические свойства образцов исследовались мелее высокая степень упругого восстановления, чем для тодом наноиндентирования [29–31] на установке Nano кристалла. Величина жесткости (dP/dh), определяемая Indenter-II, MTS Systems Corporation, Oak Ridge, TN, по начальному участку разгрузки, для квазикристалличеUSA с использованием трехгранного индентора Беркоского образца почти в 2 раза меньше, чем для кристалвича. Точность измерения глубины отпечатка составляла ла. Рассчитанный модуль нормальной упругости E для ±0.04 nm, нагрузки на индентор ±75 nN. Отпечатки исследованных образцов варьируется в пределах от наносились на расстоянии 30 µm друг от друга, и на до 100 Gpa в зависимости от состава и совершенства QC каждом образце производилось по 5 измерений. Каждое фазы и хорошо согласуется с данными работы [40].

испытание состояло из двух циклов. Первый цикл предназначался для определения модуля упругости и твердости образца по методике Оливера и Фарра [30]. Нагружение проводилось со скоростью 1 mN/s до 15 mN, затем следовала выдержка в течение 10 s при этой нагрузке, разгрузка на 95% и выдержка 30 s при низкой нагрузке для измерения теплового дрейфа. Во втором цикле индентирования получали кривую упругопластического нагружения, которая характеризует механическое поведение при контактном нагружении. При сформированном отпечатке проводится повторное нагружение со скоростью 0.5 mN/s до 25 mN, выдержка в течение 10 s при этой нагрузке, затем полная разгрузка индентора. Среднее контактное давление (СКД) в отпечатке на участке роста нагрузки определялось по методике, предложенной в работе [22], с учетом упругого прогиба поверхности образца на краю контакта. Скорость 1 dh деформации рассчитывалась как =. Для аналиh dt за особенностей перехода от упругой к пластической Рис. 1. Микроструктура поверхности образца квазикристалла деформации строились графики зависимости скорости Ti41.5Zr41.5Ni17 по данным сканирующей электронной микродеформации от величины нагрузки на индентор.

скопии.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 2172 В.М. Ажажа, С.С. Борисова, С.Н. Дуб, С.В. Малыхин, А.Т. Пугачёв, Б.А. Мерисов, Г.Я. Хаджай Рис. 2. Кривые нагружения для кристаллического материала (1) и квазикристалла (2), полученные с помощью индентора Берковича. a и b — первый и второй циклы соответственно.

Наибольшие различия между квазикристаллом и кри- погружения индентора более чем на 350 nm, см. рис. 2) сталлом выявляются во время второго цикла инденти- на кривой (P) появляются всплески, соответствующие рования. На кривой P-h квазикристаллов наблюдаются очень быстрому погружению индентора на глубину четкие ступени — пологая часть (амплитуда скачка 4-6 nm. Эти всплески перемежаются участками спаиндентора, h), которые соответствуют углублению ин- да, нижние точки которых ложатся на продолжение дентора почти без увеличения нагрузки. В квазикристал- начальной зависимости (кривая 2 на рис. 3). На графике для кристалла можно выделить область упругого лах аналогичные скачки обнаружены ранее в системе Al-Cu-Fe [21,22]. Наиболее ярко этот эффект ступен- деформирования, когда скорость постоянна и составляет 0.004 s-1. Переход к пластической деформации прочатой деформации проявился для однофазного образца исходит в некотором интервале нагрузки (13–17 mN, что Ti41.5Zr41.5Ni17 (рис. 2, b), где протяженность ступеней была практически одинакова и составляла около 6 nm.

При испытании кристаллического образца W+12 at.% Ta в том же режиме таких ступеней не наблюдалось. СКД в зависимости от величины относительного погружения ((h - h0)/h0, где h0 — глубина погружения индентора, достигнутая после первого цикла), в квазикристаллическом образце растет нелинейно до 30%, а затем отмечается его ступенчатое снижение на 1... 1.5GPa с чередованием участков спада и подъема. Для кристалла СКД почти линейно возрастает до 6.2 GPa при погружении до 7.5... 8%, а далее деформация происходит без изменения СКД (экспериментальные графики приведены в работе [23]).

Особености деформации квазикристалла по сравнению с кристаллом наглядно проявляются на графике зависимости скорости относительной деформации от величины нагрузки P (рис. 3). Для квазикристалла Рис. 3. Изменение скорости деформации,, в зависимости характерна высокая начальная скорость деформации от величины нагрузки, P, для образцов кристалла W+12 at.% (в 4–6 раз выше, чем для кристалла), но с увеличеTa (1) и квазикристалла Ti41.5Zr41.5Ni17 (2). Вертикальная нием нагрузки она нелинейно спадает. При достиже- штриховая прямая условно разделяет области упругой (I) и нии нагрузки P 16 mN (что соответствует глубине пластической (II) деформации кристалла.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Механическое поведение Ti–Zr–Ni-квазикристаллов при наноиндентировании эти участки соответствуют областям упругой и пластической деформации. Скорость деформации кристалла на первом участке постоянна. Границей перехода от упругой деформации к пластической для кристаллов можно считать точку перегиба на графике (P) (отмечено вертикальной штриховой чертой). Деформация квазикристалла начинается со скоростью почти в 5 раз большей, чем для кристалла и экспоненциально снижается с увеличением нагрузки к концу первого участка. Начальное соотношение скоростей деформации QC и кристалла значительно превосходит отношение их модулей упругости. Примерно при P 13 mN соотношение скоростей уже соответствует отношению модулей упругости двух Рис. 4. Зависимости структурных и механических характериматериалов. Такое поведение позволяет заключить, что стик от параметра квазикристалличности aq. 1 —размер ОКР уже на начальном участке второго цикла деформирова(L), 2 — длина ступени быстрой деформации (l), 3 —модуль ния квазикристалла имеет место пластическая дефорЮнга (E), 4 — нанотвердость (H).

мация. Экспоненциальный характер зависимости (P) может свидетельствовать об активируемых диффузионных процессах поглощения точечных дефектов дислокапримерно соответствует началу всплесков на кривой для цией при переползании. Отмеченный эффект снижения квазикристалла) и сопровождается почти троекратным скорости деформации хорошо известен в литературе увеличением скорости деформации (кривая 1 на рис. 3). как деформационное упрочнение. Этот эффект многие В нашей предыдущей работе [23] показано, что чем авторы связывают с накоплением фазонных дефектов и меньше объемная доля квазикристаллической фазы в увеличением фазонной составляющей вектора Бюргерса образце, тем менее интенсивными и четкими являются (b) полных дислокаций [1,3–8,12,42].

зубцы и тем меньше их количество. Следовательно, Первый всплеск скорости деформации в квазикристалобнаруженная „ступенчатость“ деформации свойственна лах наблюдается при P 16 mN. Среднее контактное именно квазикристаллу. Как уже было отмечено, чем давление перед всплеском составляет P 7.4GPa. Для меньше доля кристаллических фаз и выше гомогенность каждого последующего всплеска требуется все меньквазикристаллической фазы, тем больше величина aq. шее значение СКД. Такое явление наблюдалось ранее На рис. 4 представлены зависимости длины ступеней при испытаниях квазикристаллов на растяжение–сжатие быстрого деформирования h, рассчитанных величин и получило название „деформационного разупорядочемодуля Юнга E, нанотвердости H и размера областей ния“ [1,6,7,12]. Образование ступени на кривой P(h) когерентного рассеяния L от параметра квазикристал- (рис. 2, b) или всплеск скорости деформации (рис. 3) могут свидетельствовать о смене механизма деформации.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.