Understanding imprint formation, plastic instabilities and hardness evolutions in FCC, BCC and HCP metal surfaces

Abstract

Nanoindentační experimenty kovových povrchů jsou charakteristické nástupem plastických nestabilit spolu se vznikem trvalých vtisků a rozvojem hustých sítí dislokačních poruch. Tento výzkum se zaměřuje na masivní molekulárně dynamické simulace nanoindentačních experimentů v FCC, BCC a HCP kovech s použitím tupých (kulových) hrotů realistické velikosti a podrobného porovnání výsledků simulací s experimentálními měřeními. Naše zjištění vysvětlují, které defekty v krystalické mřížce určují odolnost při kontaktu proti plastické deformaci a popisují proces přechodu ze stavu s náhlými plastickými nestabilitami směrem k soběpodobnému ustálenému stavu charakterizovanému konstantní tvrdostí a konstantní hustotou dislokací. Vznik trvalých vtisků je řízen vrstevnou poruchou, propojením nanodvojčatých poruch, nárůstem nanostrukturovaných oblastí a krystalitů v celém vtisku, dále příčným skluzem, příčným přeskokem povrchových šroubových dislokací a remobilizací defektů v plastické zóně. V důsledku těchto mechanismů je poměr mezi tvrdostí a Youngovým modulem vyšší u BCC Ta a Fe, následuje FCC Al, HCP Mg a FCC Ni a Cu s velkou šířkou vrstevné poruchy. Naše výsledky mají obecný význam pro pochopení vlivu velikosti vtisku, kde jsou extrémní hodnoty tvrdosti v nanorozměrech spojeny s výskytem velmi specifických procesů tvorby vtisku při velkých gradientech deformace.