Microplasticity during High Temperature Indentation and the Peierls Potential in Sapphire (α-Al2O3) Single Crystals

Abstract

The temperature dependence of the Vickers hardness is measured on the basal (0001) plane of single crystal α-Al2O3 (sapphire) from room temperature to 1273 K. The plastic zone surrounding the indents is investigated using selective chemical polishing and etching, optical microscopy, and transmission electron microscopy (TEM). Indentation was accompanied by three competitive damage processes: fracture, twinning, and dislocation plasticity. At room temperature, cracking predominates, and the presence of dislocations and/or twins could be revealed only by TEM. At intermediate temperatures (673 to 1073 K), extensive rhombohedral twinning is observed, while at higher temperatures, prismatic slip bands on {1120} dominates the microstructure. TEM observations reveal that the dislocation substructure at the vicinity of the indents consists of fairly straight dislocations lying in basal and/or prism planes and aligned along the 〈1010〉 and 〈1120〉 directions. The details of the glide dissociation of perfect 〈1010〉 screw dislocations into three collinear 1/3 〈1010〉 partials on the prism plane, the mechanism of the microplasticity of sapphire single crystals, and details of the Peierls potential for α-Al2O3 are discussed. Die Temperaturabhängigkeit der Vickers Härte wird auf der Basalebene (0001) in Saphireinkristallen im Temperaturbereich von Zimmertemperatur bis 1273 K gemessen. Die die Eindrücke umgebende plastische Zone wird durch selektives chemisches Polieren, Ätzen, optische Mikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die Identierung wird von drei dominanten Schadensprozessen begleitet: Bruch, Verzwillingung und Versetzungsplastizität. Bei Zimmertemperatur dominiert der Bruch; nur mit Hilfe der TEM kann das Vorhandensein von Versetzungen und/oder Zwillingen nachgewiesen werden. Im mittleren Temperaturbereich (673 bis 1073 K) werden rhomboedrische Zwillingslamellen mit Hilfe von selektivem Ätzen auf (0001) gefunden. Bei höheren Temperaturen dominieren prismatische Gleitbänder auf {1120}-Ebenen die Mikrostruktur. TEM Beobachtungen der Hochtemperaturfolien zeigen, daß die Versetzungsstruktur im Bereich der Eindrücke aus relativ geraden Versetzungen entlang 〈1010〉 und 〈1120〉 auf der Basal- und/oder den prismatischen Ebenen gebildet wird. Die Details der Gleitaufspaltung von perfekten 〈1010〉-Schraubenversetzungen in drei kollineare 1/3 〈1010〉-Partialversetzungen auf der prismatischen Ebene und der Mechanismus der Mikroplastizität von Saphireinkristallen werden diskutiert.