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

転位ループ生成力学モデルによるインデンテーション下の変位バースト現象の理論的研究

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影響が考えられるものの、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 has been recognized as one of the representative examples of nanoscale plastic behavior (nanoplasticity). This phenomenon corresponds to the early stage of plastic deformation and is greatly influenced by the collective dislocation emission. In the present paper a simplified model is constructed for the first displacement burst with use of the elastic theory based on both the Hertzian contact theory and the classical dislocation theory to evaluate the displacement burst in nanoindentation. As a result, it is shown that more than one hundred high-density dislocations are generated simultaneously and surface step corresponding to the Burgers vector of dislocation dipole of each emitted dislocation causes significant displacement burst.