Физика Низких Температур: Том 46, Выпуск 11 (Ноябрь 2020), c. 1336-1345    ( к оглавлению , назад )

Nanoindentation of pure and gas-saturated fullerite C60 crystals: elastic-to-plastic transition, hardness, elastic modulus

S. N. Dub1, G. N. Tolmachova2, S. V. Lubenets3, L. S. Fomenko3, and H. V. Rusakova3

1V. Bakul Institute for Superhard Materials of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv 04074, Ukraine

2National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology” of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv 61108, Ukraine

3B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61103, Ukraine
E-mail: lubenets@ilt.kharkov.ua

Received June 18, 2020, published online September 21, 2020

Abstract

Elastic-plastic transition at nanoindentation of (111) plane of pure С60 fullerite single crystals was studied. The onset of plastic deformation in the contact was noted due to the plateau formation in the initial part of loading curve. The estimated stress of plasticity beginning was found to be on the order of the theoretical shear stress required for homogeneous dislocation nucleation in the ideal crystal lattice of С60. The empirical values of elastic modulus E ≈ 13.5 GPа, hardness of the ideal crystal lattice H ≈ 1.4 GPа, and hardness at different indentation loads were obtained. The hardness vs load dependence was found consistent with the model of geometrically necessary dislocations. The loading diagrams shape and the dependencies of contact pressure vs indentation depth were strongly affected by gaseous interstitial impurities (hydrogen, oxygen, nitrogen) in С60 crystal; transition stress was essentially less and plateaus formation was observed at elevated indentation loads and depths as compared with pure fullerite crystal. For crystals, saturated with hydrogen, the enhanced value of elastic modulus (~ 20.4 GPа) and hardness (~ 1.1 GPа) were obtained. The results acquired at room temperature for C60 with face-centered cubic lattice are important for the description of the physical-mechanical properties of simple cubic lattice phase of C60 below 260 K (S. V. Lubenets, L. S. Fomenko, V. D. Natsik, and A. V. Rusakova, Fiz. Nizk. Temp. 45, 3 (2019) [Low Temp. Phys. 45, 1 (2019)]).

Анотація

Вивчено пружно-пластичний перехід у разі наноіндентування площини (111) кристала чистого фулериту С60. Початок пластичної деформації матеріалу під індентором фіксували за появою плато на початковій стадії кривої навантаження. Встановлено, що напруження початку пластичності відповідає величині теоретичного напруження зсуву, необхідного для гомогенного зародження дислокацій в ідеальній кристалічній ґратці С60. Одержано емпіричні значення модуля пружності E ≈ 13,5 ГПа, твердості ідеальної кристалічної ґратки H ≈ 1,4 ГПа та твердості при різних навантаженнях на індентор. Залежність твердості від навантаження відповідає моделі геометрично необхідних дислокацій. На форму діаграм навантаження і залежність контактного тиску від глибини індентування сильно впливає наявність у кристалі газових домішок проникнення (водню, кисню, азоту); напруження переходу до пластичності значно менше, формування сходинок спостерігалось при підвищених напруженнях і більших глибинах проникнення індентора у порівнянні з чистим кристалом С60. Для кристалів, насичених воднем, одержано підвищені величини модуля пружності ~ 20,4 ГПа та твердості ~ 1,1 ГПа. Дослідження проведено при кімнатній температурі на кристалах С60 з гранецентрованою кристалічною ґраткою (високотемпературна фаза), але його результати мають важливе значення для опису фізико-механічних властивостей низько-температурної фази С60 (проста кубічна ґратка) нижче 260 К (С. В. Лубенец, Л. С. Фоменко, В. Д. Нацик, A. В. Русакова, ФНТ 45, 3 (2019) [Low Temp. Phys. 45, 1 (2019)]).

Key words: С60 fullerite single crystals, nanoindentation, elastic-plastic transition, dislocation nucleation, theore-tical shear stress, molecular interstitial impurities.