Материал: Методические указания к лабораторным работам по специальным вопросам микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Косилов А.Т

5.Поместив закристаллизованный образец в магнетометр снять его кривую намагничивания и определить величину коэрцитивной силы.

6.Сопоставить значения коэрцитивной силы сплава в аморфном состоянии и закристаллизованном.

7.Сформулировать выводы.

Контрольные вопросы

1.Чем отличается структура аморфных ферромагнетиков от структуры кристаллических ферромагнетиков?

2.Возникают ли в ферромагнетиках с аморфной структурой домены, подобно тому, как это происходит в кристаллических ферромагнетиках?

3.Механизмы перемагничивания аморфных ферромагнитных сплавов.

4.Влияет ли структурная неупорядоченность аморфных ферромагнитных сплавов на механизмы перемагничивания?

5.Влияет ли структурная неупорядоченность аморфных ферромагнитных сплавов на величину коэрцитивной силы.

6.Объяснить причину магнитомягкости аморфных ферромагнитных сплавов.

7.Какой физический закон лежит в основе работы вибрационного магнетометра?

8.Объяснить принцип работы вибрационного магнето-

метра.

9.Объяснить, почему необходимо перемещение образца (нахождение образца на вибрирующем штоке) при измерении его намагниченности с помощью магнетометра.

10.От чего зависит величина амплитуды ЭДС, возникающей в измерительных катушках?

19

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Исследование микротвердости нанокристаллических ма-

териалов. Экспериментальное подтверждение закона Холла-Петча

Цели: Ознакомиться с методикой измерения микротвердости тонкопленочных образцов с помощью микротвердомера ПМТ-3М.

Исследовать зависимость микротвердости нанокомпозитных тонкопленочных образцов от концентрации диэлектрической фазы (размера металлических нанозерен).

1. Механизмы деформации твердого тела

Одними из наиболее характерных свойств твердых тел являются механические свойства — прочность, твердость, пластичность, износостойкость и др. Именно благодаря этим свойствам твердые тела получили столь широкое практическое применение в качестве конструкционных, строительных, электротехнических, магнитных и других материалов, без которых невозможно развитие материального производства.

При исследовании механических свойств объемных материалов классическим методом является «запись» диаграммы деформации в которой экспериментально измеряются два параметра: деформация ( ) и механические напряжения ( ). На рис. 1 приведена типичная диаграмма деформации для одноосного растяжения образца в форме цилиндра. Очевидно, что кривая = f( ) обнаруживает несколько характерных особенностей. Так, при малых напряжениях наблюдается линейная зависимость деформации от напряжения (участок ОА). Другой особенностью участка ОА является то, что после снятия нагрузки форма и размеры образца восстанавливаются, т. е. деформация оказывается обратимой. Обратимость деформации

20

на участке ОА наблюдается только в том случае, когда нагрузка прилагается и снимается сравнительно быстро.

Рис. 1. Пример диаграммы «деформация-напряжение» для твердого тела

Если нагрузка приложена в течение большого промежутка времени, то возникает явление «крипа» (ползучести), иными словами возникает необратимая деформация. Прямолинейный участок ОА называют областью упругой деформации (для твердых тел << 1%).

За пределами упругой области при переходе через точку А кривая переходит в так называемую пластическую область. Напряжение ( У), соответствующее этой точке, называется пределом упругости. Величина Т соответствует пределу текучести - минимальному напряжению, при котором деформация продолжает возрастать без увеличения нагрузки. Точка С кривой = f( ) соответствует пределу прочности ( п). При достижении предела прочности образец разрушается.

Таким образом, одной из важных численных характеристик механических свойств твердых тел является прочность – способность твердых тел сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы. Однако далеко не всегда воздействие на твердое тело равномерно распределяется по всему объему материала. Часто воздействие осуществляется локально, в ограниченной области. В этом случае в качестве параметра, характеризующего механические свойства твердого те-

21

ла, используют величину, называемую твердость. Твердость - способность твердых тел сопротивляться пластическому деформированию или хрупкому разрушению при локальном нагружении.

Область упругой деформации в твердых телах весьма незначительна ( << 1%) и реальные эксплуатационные характеристики материалов зависят от пластической деформации. Поэтому очевидно, что при анализе механических свойств твердых тел большое внимание уделялось пониманию механизмов пластической деформации тел.

Пластическая деформация состоит в следующем. При приложении внешней силы к металлическому телу по их кристаллографическим плоскостям возникают сдвигающие или касательные напряжения. При достижении некоторой критической величины, они могут преодолеть сопротивление межатомных связей данного тела и вызвать необратимые перемещения по кристаллографическим плоскостям. Смещения в кристаллической решетке осуществляются по определенным плоскостям и направлениям. В зависимости от особенностей этих смещений различают смещения скольжением (рис. 2) или двойникованием (рис. 3). Плоскости и направления смещений соответственно принято называть плоскостями и направлениями скольжения и двойникования.

Пластическая деформация скольжением может возникнуть в результате действия скалывающих напряжений, способных вызвать смещение одних частей кристалла относительно других без нарушения связи между ними. Такое смещение называют скольжением. Оно составляет сущность процесса пластического течения кристаллических тел. На рис. 2 показано возникновение и развитие остаточной деформации в кристалле (рис. 2 а) при действии сдвигающей силы F. До тех пор пока не достигнут предел упругости, кристалл деформируется упруго (рис. 2 б) и касательные напряжения ( ) растут пропорционально относительной деформации сдвига ( ) (фактически это закон Гука), но после снятия внешней нагрузки

22

атомы возвращаются в свои первоначальные положения. При превышении предела упругости внутри кристалла вдоль определенных плоскостей, называемых плоскостями скольжения, происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой (рис. 2 в) на одно или несколько атомных расстояний. После снятия внешней нагрузки упругие напряжения решетки снимаются, однако одна часть кристалла остается смещенной относительно другой (рис. 2 г). Из таких малых необратимых смещений, протекающих во многих плоскостях скольжения, складывается остаточная деформация кристалла в целом. Следует добавить, что способность кристалла к пластической деформации определяется прежде всего характером сил связи между его структурными элементами.

Рис. 2. Пластическая деформация кристалла скольжением

Пластическая деформация двойникованием представляет собой процесс последовательного смещения друг относительно друга атомных плоскостей, параллельных плоскости двойникования, на одно и то же расстояние, составляющее некоторую (меньшую) часть параметра решетки. На рис. 3 приведена схема двойникования кристалла AECDA; область ABCDА представляет собой недеформированную часть кристалла, ВЕСВ — часть, испытавшую двойникование, ВС — ось двойникования. Крестиками обозначены положения атомов до двойникования. Плоскость, проходящая через ось двойникования и отделяющая двойниковую область от неискаженной час-

ти кристалла, называется плоскостью двойникования.

На рис. 3 видно, что при двойниковании атомы плоскости 1-1 сдвинуты относительно плоскости двойникования ВС в направлении двойникования на часть атомного расстояния.

23