Главная
страница 1
ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ НА ОТКЛИК ОЦК-ЖЕЛЕЗА ПРИ НАНОИНДЕНТИРОВАНИИ

А.В. Корчуганов, Д.С. Крыжевич, К.П. Зольников, С.Г. Псахье


Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
634021, Томск, Россия

В настоящее время активно развивается производство различных микро- и наноэлектромеханических систем. Изучение механических свойств и поведения таких систем требует применения проверенных и точных методов исследования. Эффективным универсальным инструментом для изучения прочностных характеристик материалов на наноструктурном уровне является наноиндентирование. Оно включает в себя большую совокупность технических средств исследования физико-механических свойств твердых тел в приповерхностных областях [1]. Наряду с экспериментальными методами исследования в последнее время бурно развивается компьютерное моделирование поведения материалов при наноиндентировании. В частности, многие расчеты основаны на использовании метода молекулярной динамики, поскольку его применение позволяет получить детальную информацию о динамике структурных изменений и полях напряжений исследуемого материала. Следует отметить, что отклик металлов с ГЦК решеткой при наноиндентировании достаточно подробно изучался в рамках молекулярно-динамического подхода [2-5]. Металлы с ОЦК решеткой численными методами недостаточно изучены. В рамках настоящей работы было проведено исследование отклика металлов как с идеальной ОЦК решеткой, так и с дефектами различной размерности.




А.В. Корчуганов, Д.С. Крыжевич, К.П. Зольников, С.Г. Псахье, 2013

Исследование проводилось на основе молекулярно-динамического подхода. В качестве объекта изучения был выбран кристаллиты ОЦК железа как с идеальной структурой, так и содержащие вакансии, поры и межзеренную границу. Описание межатомного взаимодействия проводилось на основе многочастичного потенциала, рассчитанного в приближении Финниса-Синклера. Выбранный потенциал с достаточно хорошей точностью описывает упругие характеристики, энергии образования и миграции точечных дефектов, параметр решетки и т.д. [6]. Нагружение моделируемых кристаллитов осуществлялось индентором в форме цилиндра. Для идентификации атомов, вовлеченных в формирование локальных структурных перестроек, использовался приведенный вектор смещений [2]. Моделируемые образцы имели форму параллелепипеда. Размеры кристаллитов с идеальной структурой, вакансиями и порами составляли 170×170×170 A, а кристаллита с границей зерна (ГЗ) – 230×170×170 A. Ось индентора, в качестве которого использовалось отталкивающее внешнее поле, ориентировалась параллельно нагружаемой грани кристаллитов. Внешнее поле описывалось формулой:

,

где R – радиус индентора, r – расстояние от оси индентора до атома в зоне контакта. Вдоль оси индентора моделировались периодические граничные условия. Нагружаемая грань задавалась как свободная поверхность, в то время как нескольким атомным слоям противоположной к ней грани кристаллита запрещалось смещаться в направлении индентирования. Боковые грани кристаллитов моделировались как свободные поверхности. Скорость индентирования составляла 1 м/с, радиус индентора – 10 А.

Результаты расчетов силы реакции образца в зависимости от глубины вдавливания индентора представлены на рис. 1а. Области линейного роста силы реакции от глубины вдавливания соответствуют упругому отклику кристаллитов. Начало зарождения пластической деформации можно определить по скачкообразному уменьшению силы реакции, которое сопровождалось формированием локальных структурных изменений. Анализ результатов расчетов показал, что в формировании локальных структурных изменений участвуют атомы, у которых величина приведенного вектора смещений превышает 0,2. Отметим, что для кристаллита с ГЗ пластическая деформация зарождается при меньших глубинах вдавливания. Такой отклик связан не только с наличием ГЗ в кристаллите, но и тем фактом, что линия контакта индентора была ориентирована по-другому относительно нагружаемой поверхности, чем в случае кристаллита с идеальной решеткой. Для кристаллита с порами скачкообразное уменьшение силы реакции начинается ещё раньше, чем для кристаллита с ГЗ. Индентирование образцов с вакансиями показало, что наличие вакансий, лежащих на расстоянии 5-6 параметров решетки от нагружаемой поверхности, несущественно влияет на пороговую глубину вдавливания индентора, при которой начинают генерироваться дефекты структуры. Особенности изменения кривой силы реакции кристаллитов на рис. 1а хорошо коррелирует с генерацией локальных структурных изменений (рис 1б).





а)

б)

Рис. 1 Сила реакции образца (а) и доля атомов, вовлеченных в локальные структурные перестройки (б), в зависимости от глубины вдавливания индентора (d). Кривые для кристаллита с идеальной решеткой помечены цифрой 1, кристаллита с ГЗ – 2, кристаллита с порами – 3

Анализ результатов расчетов показывает, что локальные структурные изменения первоначально зарождаются в области контакта индентора с поверхностью, а затем распространяются по плоскостям скольжения к боковым граням кристаллита (рис. 2). Их выход на свободную поверхность приводит к формированию ступеньки. Следует отметить, что ГЗ препятствует распространению локальных структурных изменений в соседнее зерно, что хорошо видно на рис. 2г. Проведенные расчеты показали, что аккомодация кристаллита с ГЗ при нагружении осуществляется не только за счет генерации дефектов в области контакта, но и в области межзеренной границы.




а)

б)

в)

г)

Рис. 2 Проекции структуры нагружаемых кристаллитов для различных глубин вдавливания индентора: а),б) 10 А; в),г) 12.5 А. Слева кристаллит с идеальной структурой, справа – с ГЗ. Темно-серым цветом выделены атомы, приведенный вектор смещений которых больше 0,2

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №11-08-00680-а.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



  1. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. Москва: Машиностроение, 2009, 312 с.

  2. Псахье С.Г., Крыжевич Д.С., Зольников К.П. // ПЖТФ. 2012. Т. 38. выпуск 13

  3. Болеста А.В., Фомин В.М. // Физическая мезомеханика. 2009. Т. 12. № 3. С. 73-80.

  4. Псахье С.Г., Зольников К.П., Дмитриев А.И., Крыжевич Д.С., Никонов А.Ю. // Физическая мезомеханика. 2012. № 1. С. 23-31.

  5. Saraev D., Miller R.E. // Acta Mater. 2006. V. 54. P. 33-45.

  6. Mendelev M.I., Han S., Srolovitz D.J., Ackland G.J., Sun D.Y., Asta M. // Phil. Mag. 2003. V. 83. № 35. P. 3977-3994.

  7. Zimmerman J.A., Kelchner C.L., Klein P.A., Hamilton J.C., Foiles S.M. // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. P. 165507-165511.





Смотрите также:
Влияние дефектов структуры на отклик оцк-железа при наноиндентировании
42.24kb.
1 стр.
Определение массовой концентрации общего железа с роданидом
46.42kb.
1 стр.
Исследование мартенситного g ® a ¢ -превращения в аустенитной нержавеющей хромоникелевой стали, имплантированной гелием
217.48kb.
1 стр.
Влияние поверхностно-активных веществ на дисперсность и морфологию кислородсодержащих порошков на основе железа
53.08kb.
1 стр.
Материаловедение и технология новых материалов
72.11kb.
1 стр.
Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник
291.28kb.
1 стр.
Влияние структуры полиакрилатов на их реологические свойства в водной среде
29.68kb.
1 стр.
Ласточка ra-7777g идентификационный №еэвс. 02. 1278
25.03kb.
1 стр.
Влияние металлоорганических каркасных соединений на морфологию и газотранспортные характеристики полиимидов различной структуры
20.17kb.
1 стр.
Контрольная работа 1 Вариант 1 Сколько молей сульфата натрия содержится в 35,5 г этого вещества?
104.24kb.
1 стр.
Осаждение железа и марганца из сульфатных растворов с применением газового реагента при переработке марганецсодержащих материалов
215.61kb.
1 стр.
1. Наименование и место реализации проекта ноц «Инновации при модернизации объектов коммунальной структуры»
63.5kb.
1 стр.