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

Плоскость 2-2 сдвинута на такую же часть атомного расстояния относительно плоскости 1-1 и на удвоенную часть этого расстояния относительно плоскости двойникования и т. д. Иначе говоря, каждая атомная плоскость, параллельная плоскости двойникования, смещается вдоль самой себя на расстояние, пропорциональное расстоянию ее от плоскости двойникования. В результате этого атомы в двойниковой области занимают положения, соответствующие зеркальному отображению структуры недеформированной части кристалла относительно плоскости двойникования.

Рис. 3. Пластическая деформация двойникованием

К сожалению, значение прочности кристаллов на сдвиг, вычисленное на основе описанных механизмах, оказалось на 3 - 4 порядка (!) больше реально измеряемых значений (например, в железе теоретические и реальные напряжения равны соответственно - 2600 МПа и 20 МПа). Следовательно, при деформации твердого тела в нем реализуется механизм, который приводит к значительному снижению прочности и при котором в каждый момент имеет место смещение относительно малого количества атомов. Это привело к развитию дислокационной модели пластического течения кристаллов.

Наличие дислокаций в твердом теле приводит к тому, что сдвиг начинается не по всей плоскости одновременно, а только в каком-либо одном месте, а затем под действием касательных напряжений распространяется по всей плоскости скольжения, при этом в направлении скольжения, указываемом вектором

24

Бюргерса b, перемещается и сама дислокация. На рис. 4 приведена схема развития единичного сдвига (на одно межатомное расстояние) верхней части кристалла по отношению к нижней при наличии в плоскости скольжения краевой дислокации.

Как видно из рис. 4, для передвижения дислокации необходимо затратить сравнительно небольшие усилия, поскольку для перемещения дислокации на одно межатомное расстояние из точки А в точку А' требуется лишь незначительное смещение атомов из положений, обозначенных темными кружками, в положения, обозначенные светлыми кружками. В отличие от деформации, приводящей к скольжению в идеальном кристалле, когда все смещения должны происходить одновременно, деформация в присутствии дислокации осуществляется большим числом последовательных перемещений атомов.

Рис. 4. Движение краевой дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига: а — исходное состояние кристалла, б — дислокация переместилась на одно межатомное расстояние, а — дислокация достигла поверхности кристалла и совершила единичный сдвиг

Интересно, что перемещение дислокационного типа имеет место и в живой природе — это движение гусеницы, показанное на рисунке. Гусеница перемещается в пошаговом режиме: от поверхности она отрывает только одну пару лапок, переносит их по воздуху, опускает на землю, затем повто-

ряет это со следующей парой лапок и так далее. После того как таким образом будут перенесены по воздуху все пары лапок, вся гусеница в целом переместится на расстояние, на которое поочередно смещалась каждая из пар лапок. Ни одну из пар лапок гусеница не волочит по земле. Именно поэтому и ползет легко. Пару лапок, не соприкасающихся с землей можно сравнить с экстраплоскостью. Гусеница сместится на один шаг только после того, как такая "экстраплоскость" переместится вдоль всего тела.

25

Понимание того, что именно движение дислокаций приводит к значительному снижению твердости и прочности материалов, позволяет искать способы, улучшающие механические характеристики твердых тел. Одним из таких способов является поиск и создание материалов, чья структура должна затруднять или полностью блокировать движение дислокаций.

Самый простой и очевидный метод блокирования движения дислокаций - уменьшение размеров зерен в поликристаллическом материале. Это объясняется тем, что дислокация не может перейти границу зерна, так как в новом зерне плоскости скольжения не будут совпадать с плоскостью движения дислокации. Дальнейшая деформация может продолжаться лишь в результате возникновения новой дислокации в соседнем зерне, поэтому чем мельче зерно, тем выше прочность металла. Более того, при определенных размерах зерен (критический размер зависит от материала) зарождение дислокаций в таком маленьком объеме становится невозможным в принципе, что также приводит к увеличению твердости и прочности материалов. Корреляция между твердостью (прочностью) и средним размером зерна в поликристаллическом материале экспериментально прослеживается практически во всех металлах и сплавах. Аналитически такая корреляция выражается соотношением

где σΤ – предел текучести, σ0 — внутреннее напряжение, препятствующее распространению пластического сдвига в теле зерна (иногда пишут, что σ0 это предел текучести объемного материала), k — индивидуальная для каждого материала константа. В литературе соотношение (1) носит название «соотношение Холла-Петча» или «закон Холла-Петча». Следует добавить, что блокирование дислокационного механизма деформации не означает, что твердость материала будет достигать теоретической. Деформация будет развиваться посредством

26

других механизмов, просто они потребуют более высоких нагрузок.

Внастоящее время наноструктурированные материалы с высокими значениями твердости и прочности чаще всего используются в качестве упрочняющих покрытий, то есть в виде нанесенных на поверхность изделия пленок. Наиболее простым способом исследования твердости пленочных покрытий является метод индентирования. Суть метода сводится к вдавливанию индентора (алмазной пирамидки) в поверхность пленки (покрытия). Оценка величины микротвердости материала осуществляется по результатам измерения размеров получившегося отпечатка. Данные измерения твердости по вдавливанию существенно зависят от выбора нагрузки, прикладываемой к индентору, выбора длительности нагружения и выдержки под нагрузкой, правильного размещения отпечатков на исследуемом образце, методики подготовки образцов для исследования и т.д.

Твердость, измеренную методом вдавливания индентора, принято называть микротвердостью, поскольку твердость в этом методе оценивается в ограниченной области, составляющей порядка десятка микрон. Этот термин и будет использован далее по тексту.

Влабораторной работе необходимо провести исследование микротвердости наноструктурированных тонкопленочных покрытий. Покрытия имеют композитную структуру, то есть состоят из двух фаз: металлической и керамической. Размер каждого фазового включения (то есть металлической гранулы или керамической области) составляет несколько нанометров, поэтому покрытия и называются наноструктурированными. В зависимости от количества той или иной фазы размер фазовых включений меняется. В общем случае считается, что размер металлических зѐрен пропорционален количеству металлической фазы в композите. Цель исследования заключается в нахождении зависимости микротвердости покрытия от количе-

27

ства металлической фазы, иными словами – от размера металлических зѐрен.

2. Методика измерения микротвердости тонкопленочных объектов

Измерение микротвердости наноструктурированных тонкопленочных покрытий осуществляется методом вдавливания индентора Кнупа с ромбическим основанием. Индентор Кнупа специально разрабатывался для исследования микротвердости тонких пленок и характеризуется тем, что его отпечаток имеет вид вытянутого вдоль одной диагонали ромба (рис. 5). Использование индентора Кнупа отличается двумя особенностями. Во-первых, деформации материала в области отпечатка имеют

Рис. 5. Вид отпечатка индентора Кнупа.

такой характер, что длина длинной диагонали ромбического отпечатка остается у восстановленного и не восстановленного отпечатков почти одной и той же, а длина короткой диагонали у восстановленного отпечатка меньше, чем у не восстановленного. Иными словами, измеряя восстановленный отпечаток, мы получаем более реальную (полную) картину деформации покрытия под нагрузкой (учитывается и пластическая и упругая деформации).

Во-вторых, что особенно важно при исследовании тонких пленок, отпечаток Кнупа имеет вид вытянутого ромба (рис. 5)

28