Физические закономерности деформирования и разрушения двухслойного композиционного соединения полимер – нанокристаллическая металлическая пленка в условиях локального нагружения пирамидкой Виккерса

Цель. Определение механических свойств поверхности двухслойного композиционного покрытия твёрдые нанокристаллические плёнки – эластичный полимерный композит, а также развитие методики механических испытаний.

Методы. Механические свойства определяли за счет локального нагружения многослойных композиционных соединений без углеродных нанотрубок и армированных углеродными нанотрубками. Определена зависимость микротвёрдости H_V композита от величины нагрузки и глубины вдавливания. 

Результаты. Описана методика создания многослойных композиционных соединений. Определены значения микротвёрдости композиционных соединений. Выявлена специфика использования метода микроиндентирования для случая многослойного композиционного соединения твёрдые нанокристаллические плёнки – эластичный полимерный композит. 

Заключение. Добавление нанотрубок в полимерный композит оказывает разупрочняющий эффект, что связано с формированием конгломератов нанотрубок, вокруг которых формируются поры. Добиться повышения прочности возможно при увеличении диспергирования УНТ. При малых нагрузках, не превышающих 1 Н, микротвёрдость определяется влиянием тонкой и твердой нанокристаллической пленки. Следовательно, использование стандартной схемы механических испытаний при нагрузках до 0,5–1 Н позволяет измерять микротвёрдость. При нагрузках более 1,5 Н корректно говорить об измерении микротвёрдости пленки, подложки и второй нанокристаллической пленки. В случае увеличения нагрузки до значения более 1,5–2 Н корректно говорить об измерении микротвёрдости композиционного состава в целом, с доминирующей ролью подложки. Предложена методика определения коэффициента вязкости микроразрушения двухслойных композиционных соединений, основанная на определении суммарной длины трещин на поверхности площадью с отпечатком от пирамидки Виккерса в центре.

1. Safronov I., Ushakov A. Effect of simultaneous improvement of plasticity and microhardness of an amorphous-nanocrystalline material based on Co, as a result of laser processing of nanosecond duration // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 38(4). P. 1516–1520. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.141.

2. Патент 2561788 Российская Федерация, МПК В82Y 35/00. Способ определения коэффициента вязкости микроразрушения тонких пленок из многокомпонентных аморфно-нанокристаллических металлических сплавов / Ушаков И. В., Батомункуев А. Ю.; патентообладатель НИТУ «МИСиС». № 2014124459/28; заявл. 17.06.2014; опубл. 10.09.2015, Бюл. № 25.

3. Shinkin V. N. Springback coefficient of round steel beam under elastoplastic torsion // CIS Iron and Steel Review. 2018. Vol. 15. P. 23–27. https://doi.org/10.17580/cisisr.2018.01.05.

4. Shinkin V. N. Simple analytical dependence of elastic modulus on high temperatures for some steels and alloys // CIS Iron and Steel Review. 2018. Vol. 15. P. 32–38. http://dx.doi.org/10.17580/cisisr.2018.01.07

5. Ушаков И. В. Закономерности локального деформирования и разрушения тонких лент металлического стекла 82К3ХСР при импульсной лазерной обработке // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 5. С. 24–28.

6. Ушаков И. В., Поликарпов В. М. Механические испытания тонких лент металлического стекла инденторами различной геометрической формы // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 69, № 7. С. 43–47.

7. Патент 2494039 Российская Федерация, МПК В82Y 35/00, G01N 3/42. Способ определения пластических характеристик пленок многокомпонентных аморфно-нанокристаллических металлических сплавов / Ушаков И. В., Сафронов И. С.; патентообладатель НИТУ «МИСиС». № 2012116406/28; заявл. 21.04.2012; опубл. 27.09.2013, Бюл. № 27.

8. Lawn B. R., Marshall D. B. Hardness, Toughness, and Brittleness: an indentation analysis // Journal of the American Ceramic Society. 2010. Vol. 62(7). P. 347–350. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1979.tb19075.x

9. Jǒnsson B., Hogmark S. Hardness measurements of thin films // Thin. Solid Films. 1984. Vol. 114. P. 257–269. https://doi.org/10.1016/0040-6090(84)90123-8.

10. Ушаков И. В. Метод механических испытаний металлического стекла, обработанного лазером, инденторами с различной геометрией // Proccedings of SPIE. The International Society for Optical Engineering. 2007. Vol. 6597. C. 181–185.

11. Revealing of qualitative correlation between mechanical properties and structure of amorphous-nanocrystalline metallic alloy 82K3XCP by microindentation on substrates and xray powder diffraction / A. E. Kalabushkin, I. V. Ushakov, V. M. Polikarpov, Y. F. Titovets // Proccedings of SPIE. The International Society for Optical Engineering. 2007. Vol. 6597. P. 65970P1–65970P6.

12. Золотухин И. В., Калинин Ю. Е. Аморфные металлические сплавы // Успехи физических наук. 1990. Т. 160, № 9. С. 75–110.

13. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы / под ред. Ц. Масумото. М.: Металлургия, 1987. 328 с.

14. Головин Ю. И. Введение в нанотехнологию. М.: Машинострооение-1, 2003. 112 с.

15. Глезер А. М., Молотилов Б. В. Структура и механические свойства аморфных сплавов. М.: Металлургия, 1992. 208 с.

16. Помогайло А. Д., Розенберг А. С., Уфлянд И. Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000. 672 с.

17. Цао Гочжун, Ван Ин. Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свойства и применение. М.: Научный мир, 2012. 515 с.

18. Андриевский Р. А., Рагуля А. В. Наноструктурные материалы. М.: Академия, 2005. 192 с.

19. Овидько И. А. Теории роста зерен и методы его подавления в нанокристаллических и поликристаллических материалах // Институт проблем машиноведения РАН. СПб., 2009. № 8. С. 174–199.

20. Аморфные сплавы / А. И. Манохин, Б. С. Митин, В. А. Васильев, А. В. Ревякин. М.: Металлургия, 1984. 160 с.

21. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. М.: Мир, 1986. 558 с.