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転位ループ群生成力学モデルに基づくナノインデンテーション下の変位バースト現象の検討

Theoretical investigation of the displacement burst observed in nanoindentation by collective dislocation loops nucleation model

都留 智仁   ; 渋谷 陽二*

Tsuru, Tomohito; Shibutani, Yoji*

結晶材料のナノインデンテーションにおいて、弾性変形から押込み変位が不安定に増大する変位バーストと呼ばれる現象が発現することが広く知られている。そのメカニズムについて、転位の運動や酸化皮膜などの考えがあるものの、明確な原因は未だわかっていない。本研究では、押込みにより生じる弾性ひずみエネルギーが、転位の自己及び相互作用エネルギーに変換される理想的な数理モデルを構築した。そして、押込み下では、転位の自己エネルギーよりも相互作用エネルギーが支配的となる高密度な転位群が生成されることを示した。また、変位バーストは同時に数百もの多数の転位が生成され、生成される転位双極子による表面ステップによって引き起こされることを明らかにした。

Abrupt growth of displacement observed in the relationship between indent load and indent depth in nanoindentation of crystalline materials, so-called displacement burst, has been recognized as one of the representative examples for the nanoplastic behavior. This behavior corresponds to the early stage of the plastic deformation and has greatly been influenced by the collective dislocation emission. In the present paper, we construct the simplified model of the first displacement burst by using the elastic theory based on both the Hertzian contact theory and the classical theory of dislocations to evaluate displacement burst under nanoindentation. As the result, there is strong correlation between burst width and critical indent depth where dislocation emission occur. Finally, it is shown that more than one hundred high-density dislocations are emitted simultaneously and surface step corresponding to each dislocation causes significant displacement burst.

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