Сравнительные исследования механических свойств монокристаллов стишовита и сапфира методом наноиндентирования

Abstract

Изложены результаты проведенных сравнительных испытаний монокристаллов стишовита и сапфира методом наноиндентирования. Установлено, что нанотвердость плоскости (0001) сапфира при глубине отпечатка 200 нм составляет 29,1±0,1 ГПа, тогда как нанотвердость плоскости (110) стишовита при таких же условиях испытаний равна 38,1±0,6 ГПа. Исследована специфика упруго-пластического перехода в монокристаллах сапфира и стишовита, а также в поликристаллической керамике на основе оксида алюминия при локализации деформации в субмикронной области. Обнаружен аномальный характер упруго-пластического перехода в монокристалле стишовита. Обсуждается возможность того, что аномальное механическое поведение стишовита на наноуровне может быть вызвано сильным смягчением решетки как предвестника образования под действием высокого давления в отпечатке постстишовитной фазы кремнезема со структурой CaCl₂.

Викладено результати вперше проведених порівняльних випробувань монокристалів стішовіту та сапфіру за методом наноіндентування. Встановлено, що нанотвердість площини (0001) сапфіру при глибині 200 нм дорівнює 29,1±0,1 ГПа, тоді як нанотвердість площини (110) стішовіту при тих же умовах випробувань складає 38,1±0,6 ГПа. Досліджено специфіку пружно-пластичного переходу в монокристалах сапфіру та стішовіту, а також у полікристалічній кераміці на основі оксиду алюмінію при локалізації деформації в субмікронній області. Виявлено аномальний характер пружнопластичного переходу в монокристалі стішовіту. Обговорюється можливість того, що аномальна механічна поведінка стішовіту на нанорівні може бути обумовлена значним пом’якшанням гратки як предвісника виникнення під дією високого тиску у відбитку постстішовитної фази кремнезему зі структурою CaCl₂.

Comparative nanoindentation tests of stishovite and sapphire single crystals have been performed for the first time. It was found that nanohardness of (0001) sapphire at the depth of 200 nm is equal to 29.1±0.1 GPa, while the nanohardness of (110) stishovite is equal to 38.1±0.6 GPa under the same tests conditions. Specifics of elasto-plastic transition in sapphire and stishovite single crystals and in alumina-based polycrystalline ceramic at localization of plastic deformation in a submicron volume has been studied. Anomalous elasto-plastic transition in stishovite was found. It is supposed than anomalous mechanical behaviour of stishovite at the nanoscale may be due to a strong softening of the lattice as a forerunner of poststishovite phase of silica of the CaCl₂ structure.