SIZE EFFECTS OF NANOHARDNESS IN SUPERIONIC CRYSTALS Cu₆PS₅I(Br)
DOI:
https://doi.org/10.24144/2414-0260.2025.2.43-54Ключові слова:
суперіонні кристали; твердіть; модуль Юнга; наноіндентування; теорія градієнтної пластиної деформаціїАнотація
Досліджені механічні властивості суперіонних кристалів Cu6PS5I та Cu6PS5Br методом наноіндентування з неперервним вимірюванням жорсткості контакту (режим CSM) при кімнатній температурі. Дослідження проведені на монокристалах Cu6PS5I і Cu6PS5Br, вирощених методом газотранспортних реакцій. Вимірювання нанотвердості Н і модуля Юнга Е проведені на приладі Nano Indenter II (MTS Systems) з алмазним індентором Берковича в імпульсному режимі та режимі із гармонічною модуляцією навантаження на індентор. Параметри кристалів, визначені в імпульсному режимі становили H = (3,41 ± 0,03) ГПа, E = (80,47 ± 0,78) ГПа для Cu6PS5Br і H = (3,71 ± 0,08) ГПа, E = (90,33 ± 1,27) ГПа для Cu6PS5I Виявлено прямий розмірний ефект індентування (ISE), який пояснений розвитком пластичної деформації та переміщенням дефектів у приконтактній зоні. Розмірний ефект проінтерпретований у рамках теорії градієнтної пластичності деформації (Strain Gradient Plasticity, SGP), яка враховує утворення геометрично необхідних дислокацій під індентором. Визначені параметри моделі: H₀ = 4,52 ГПа, h* = 83 нм для Cu6PS5I і H₀ = 3,72 ГПа, h* = 93 нм для Cu6PS5Br. Виявлено релаксацію структури кристалів при імпульсному механічному навантаженні. Із апроксимації релаксаційних кривих визначено швидкість пластиної деформації (0,022 нм/с і 0,018 нм/с для Cu6PS5І і Cu6PS5Br) та часи релаксації (τ = 64 с і τ = 29 с для Cu6PS5I і Cu6PS5Br).
Посилання
Kuhs W.F., Nitsche R., Scheunemann K. The argyrodites – a new family of the tetrahedrally close-packed structures. Mat. Res. Bull. 1979, 14. 241. Doi: 10.1016/0025-5408(79)90125-9.
Studenyak I.P., Stefanovich V.O., Kranjčec M., Desnica D.I., Azhnyuk Yu.M., Kovacs Gy.Sh., Panko V.V. Raman scattering studies of Cu6PS5Hal (Hal = Cl, Br, I) fast-ion conductors. Solid State Ionics. 1997, 95. 221. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(96)00477-8.
Nilges T., Pfitzner A. A structural differentiation of quaternary copper argyrodites: Structure-property relations of high temperature ion conductors. Z. Kristallogr. 2005, 220. 281. Doi: 10.5283/epub.11740.
Haznar A., Pietraszko A., Studenyak I.P. X-ray study of the superionic phase transition in Cu6PS5Br. Solid State Ionics. 1999, 119. 31. Doi:10.1016/S0167-2738(98)00479-2.
Gagor A., Pietraszko A., Drozd M., Połomska M., Pawlaczyk Cz., Kaynts D. Structural phase transitions and conduction properties of superionic, ferroelastic Cu6PS5Br1−xIx single crystals (x = 1, 0.75, 0.5, 0.25). J. Phys.: Condens. Matter. 2006, 18. 4489. Doi: 10.1088/0953-8984/18/19/005.
Dziaugys A., Banys J., Samulionis V., Studenyak I. Dielectric Investigations of Phase Transitions in Cu6PS5(Ix,Br1-x) Mixed Crystals. Ferroelectrics. 2011, 420. 30. Doi: 10.1080/00150193.2011.594003.
Samulionis V., Banys J., Studenyak I., Panko V. Ultrasonic and Piezoelectric Investigations of Phase Transitions in Ferroelastic Cu6PS5(I, Br) Mixed Crystals. Ferroelectrics. 2009, 379. 62. Doi: 10.1080/00150190902850749.
Beeken R.B., Garbe J.J., Petersen N.R. Cation mobility in the Cu6PS5X (X = Cl, Br, I) argyrodites. J. Phys. Chem. Solids. 2003, 64. 1261. Doi: 10.1016/S0022-3697(03)00086-6.
Studenyak I.P., Kranjčec M., Mykailo O.A., Bilanchuk V.V., Panko V.V., Tovt V.V. Crystal growth, structural and optical parameters of Cu6PS5(Br1-xIx) superionic conductors. J. Optoelectron. Adv. Mater. 2001, 3. 879.
Hay J., Agee P. Herbert E. Continuous stiffness measurement during instrumented indentation testing. Exp. Tech. 2010. 34. 86. Doi: 10.1111/j.1747-1567.2010.00618.x.
Lucca D.A., Herrmann K., Klopfstein M.J. Nanoindentation: Measuring methods and applications. Manuf. Technol. 2010, 59. 803. Doi: 10.1016/j.cirp.2010.05.009.
Schuh C.A. Nanoindentation studies of materials. Mater. Today. 2006, 5. 32. Doi: 10.1016/S1369-7021(06)71495-X.
Li X., Zhang W., Dong Z., Wang Z., Li D., Zhang J. Study on Size Effect in Indentation Tests. Coatings 2022, 12(12). 1962. Doi:10.3390/coatings12121962.
Li X., Bhushan B. A review of nanoindentation continuous stiffness measurement technique and its applications. Mater. Charact. 2002, 48. 11. Doi: 10.1016/S1044-5803(02)00192-4.
Zong Z., Lou J., Adewoye O.O., Elmustafa A.A., Hammad F., Soboyejo W.O. Indentation Size Effects in the Nano and Microhardness of FCC Single Crystal Metals. Mater. Manuf. Process. 2007, 22. 228. Doi: 10.1016/j.msea.2006.06.137.
Milman Yu.V., Golubenko A.A., Dub S.N. Indentation size effect in nanohardness. Acta Mater. 2011, 59. 7480. Doi: 10.1016/j.actamat.2011.08.027.
Gao H., Huang Y., Nix W.D., Hutchinson J.W. Mechanism Based Strain Gradient Plasticity ‒ I. Theory. J.Mech. Phys. Solids. 1999, 47. 1239. Doi: 10.1016/S0022-5096(98)00103-3.
Nix W. D., Gao H. Indentation Size Effects in Crystalline Materials: A Law for Strain Gradient Plasticity. J. Mech. Phys. Solids. 1998, 46. 411. Doi: 10.1016/S0022-5096(97)00086-0.
Begley M.R., Hutchinson J.W. The mechanics of size-dependent indentation. J. Mech. Phys. Solids. 1998, 35. 2049. Doi: 10.1016/S0022-5096(98)00018-0.
Asumadu T.K., Mensah-Darkwa K., Gikunoo E., Klenam D.E.P., Vandadi M., Rahbar N., Kwofie S., Soboyejo W.O. Strain gradient plasticity phenomenon in surface treated plain carbon steel. Mater. Sci. Eng: A. 2023, 871.144806. Doi: 10.1016/j.msea.2023.144806.
Ding K., Zhang Y., Birnbaum A.J., Michopoulos J.G., McDowell D. L., Zhu T. Strain gradient plasticity modeling of nanoindentation of additively manufactured stainless steel. Extreme Mech. Lett. 2021, 49. 101503. Doi: 10.1016/j.eml.2021.101503.
Mukherjee A., Banerjee B. Elastic-gap free strain gradient crystal plasticity model that effectively account for plastic slip gradient and grain boundary dissipation. Arxiv.org. 2024, р.1-39.
Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Res. 1992, 7. 1564. Doi: 10.1557/JMR.1992.1564.
Mahmoud Z. H., AL-Salman H.N.K., Kianfar E. Nanoindentation: Introduction and applications of a non-destructive analysis. Nano TransMed. 2024, 3. 100057. Doi: 10.1016/j.ntm.2024.100057.
Li X., Bhushan B. A Review of Nanoindentation Continuous Stiffness Measurement Technique and Its Applications. Mater. Charact. 2002, 48. 11. Doi: 10.1016/S1044-5803(02)00192-4.
Leitner A., Maier-Kiener V., Kiener D. Dynamic nanoindentation testing: is there an influence on a material’s hardness? Mater. Res. Lett. 2017, 5. 486. Doi: https://doi.org/10.1080/21663831.2017.1331384
Shen Z., Su Y., Liang Z, Long X. Review of indentation size effect in crystalline materials: Progress, challenges and opportunities. J. Mater. Res. Technol. 2024, 31.117. Doi: 10.1016/j.jmrt.2024.06.071
Milman Yu.V., Galanov B.A., Chugunova S.I. Plasticity characteristic obtained through hardness measurement (overview No.107). Acta metall. mater. 1993, 41. 2523. Doi: 10.1016/0956-7151(93)90122-9.
Galanov B.A., Domnich V., Gogotsi Y. Elastic-plastic contact mechanics of indentations accounting for phase transformations. Exp. Mech. 2003, 43. 303. Doi: 10.1007/BF02410528.
Pogodin A.I., Kokhan O.P. Obtaining of Quaternary Halogenchalcogenides Cu6PS5Hal (Hal – I, Br) Single Crystals. Sci. Bull. Uzhgorod Univ. (Ser. Chem.). 2012, 27. 21. (in Ukr.).
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 А.А. Сливка, В.С. Біланич
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Ліцензування
Стаття та будь-який пов’язаний з нею опублікований матеріал поширюється за ліцензією Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)
Умови цієї ліцензії не впливають на права автора чи іншого творчого виконавця захищати цілісність і право власності на свою роботу.
Авторське право на макет журналу та обкладинки повністю належить ДВНЗ "Ужгородський національний університет".
Весь контент публікується добросовісно, і думки, висловлені авторами, є тільки їхніми та не обов’язково відображають точку зору ДВНЗ "Ужгородський національний університет".
Автори надають редакційно-видавничому відділу ДВНЗ "Ужгородський національний університет" ліцензію на публікацію статті та ідентифікують себе як першовидавця.
Авторське право
Авторські права на будь-яку статтю зберігаються за автором(ами).
Публікацію статті мають схвалити всі автори та відповідальні органи інститутів, в яких виконувалося дослідження, якщо такі є.
Автори можуть уповноважити одного зі своїх співавторів діяти від їхнього імені та бути автором-кореспондентом, який відповідає за листування з редакційною командою журналу.
Автори можуть надати будь-якій третій стороні право вільно використовувати статтю за умови зазначення авторів та належного оформлення цитування.
