|
Механизмы разрушения традиционных поликристаллических материаловДля того, чтобы понять причины влияния наномасштабности зерен на объемную структуру и свойства материалов, необходимо рассмотреть механизмы разрушения материалов с традиционным размером зерен. Хрупкие материалы ломаются до появления в них неупругой деформации. Разрушение происходит из-за образования трещин в материале. На рис. 8.6 показан пример трещины в двумерной решетке. Трещина — это, no-существу, такая область в материале, в которой между соседними атомами решетки нет связи. Если такой материал подвергать нагружению, трещины не позволяют развиваться пластической деформации. Приложенные напряжения концентрируются на конце трещины, достигая очень больших значений, возможно, превосходящих прочность материала. Это приводит к разрыву межатомной связи на конце трещины, то есть к ее удлинению. Затем напряжения возрастают на следующей связи, и она также разрывается. Такое продвижение трещины продолжается до тех пор, пока материал не разделится на две части. Трещины обеспечивают механизм, посредством которого слабая внешняя сила может разрывать прочные связи по одной. Это объясняет, почему напряжения, вызывающие растрескивание, в действительности меньше, чем прочность связей, удерживающих атомы металла вместе. Другим типом механического разрушения является переход от хрупкости к пластичности, при котором зависимость напряжений от деформации отклоняется от линейной, как видно из рис. 8.3. В этой области материал необратимо удлинняется перед разрушением. Когда напряжения снимаются после достижения перехода от хрупкости к пластичности, длина образца не возвращается к первоначальному значению. Переход к пластичности происходит из-за другого типа дефектов, называемых дислокациями. На рис. 8.7 показана краевая дислокация в двумерной решетке. Существуют и другие типы дислокаций, такие как винтовые и смешанные. Дислокации — это области, в которых отклонения от регулярной структуры простираются на расстояния, много большие параметра решетки. В отличие от трещин, атомы в ядре дислокации связаны друг с другом, но эти связи слабее, чем в бездефектных областях. При пластической деформации некоторая часть решетки способна скользить относительно прилежащей к ней другой части решетки благодаря движению дислокаций по кристаллу. Одним из методов увеличения напряжения, при котором происходит переход к пластичности, является создание помех скольжению дислокаций путем введения в решетку мельчайших частиц другого материала. Такой процесс используется для упрочнения сталей. В нем в сталь вводятся преципитатные частицы карбида железа, которые блокируют движение дислокаций.
Механические свойства Внутренний модуль упругости наноструктурированного материала, по сути, тот же, что и у объемного с микронными размерами зерен, однако только до тех пор, пока размеры наночастиц не становятся очень малыми, скажем, менее 5 нм. Как было показано в главе 5, модуль Юнга — это коэффициент между напряжениями и относительной деформацией, то есть наклон кривой нагружения в ее линейной области. Чем меньше модуль Юнга, тем материал более эластичен. На рис. 8.8 показана кривая зависимости модуля Юнга Е для железа с наноразмерными зернами, нормированного на значение Е0 для железа с обычными зернами, от размера нанозерна. Из этого рисунка видно, что при размере зерен менее 20 нм модуль Юнга начинает быстро падать. Предел текучести σу традиционных материалов связан с размером зерна посредством уравнения Холла-Петча σу = σ0 + К d-(1/2) (8.1) где σ0- напряжение сил вязкого трения, тормозящих дислокацию, К— константа, d — размер зерна. Твердость также можно описать аналогичным уравнением. На рис. 8.9 показана зависимость измеренного предела текучести Fe—Со сплава от d-(1/2), демонстрирующая предсказанное уравнением 8.1 линейное поведение. Предполагая, что это уравнение справедливо и в нанометровой области размеров зерен, при d = 50 нм получим предел текучести 4.14 ГПа. Причина такого увеличения ау при уменьшении d состоит в том, что у материала с меньшими зернами больше границ зерен, блокирующих движение дислокаций. Отклонение от поведения по закону Холла-Петча наблюдается при d < 20 нм. Оно может заключаться в отсутствии зависимости от размера зерна (нулевой наклон), так и в падении σу с уменьшением d (отрицательный наклон).
Считается, что традиционная деформация по дислокационному механизму в материалах с размером зерна меньше 30 нм невозможна ввиду малой вероятности появления подвижных дислокаций. Исследования объемных наноматериалов с малыми размерами зерен средствами просвечивающей электронной микроскопии не выявляют никаких признаков наличия подвижных дислокаций в процессе деформации. Следовательно, пластичность в них обеспечивается другими, недислокационными механизмами. Считается, что традиционная деформация по дислокационному механизму в материалах с размером зерна меньше 30 нм невозможна ввиду малой вероятности появления подвижных дислокаций. Исследования объемных наноматериалов с малыми размерами зерен средствами просвечивающей электронной микроскопии не выявляют никаких признаков наличия подвижных дислокаций в процессе деформации. Следовательно, пластичность в них обеспечивается другими, недислокационными механизмами. Большинство объемных наноструктурированных материалов весьма хрупки и демонстрируют невысокую пластичность под нагрузкой. Типичные максимальные значения относительной деформации при d < 30 нм составляют несколько процентов. Например, обычная крупнозернистая отожженная поликристаллическая медь очень пластична и может удлиняться на 60%. При испытании образцов меди с размерами зерна менее 30 нм удлинение составляет не более 5%. Большинство таких измерений выполнялось на образцах из компактированного порошка, в которых имелись большие остаточные напряжения. Из-за высоких внутренних напряжений и наличия дефектов в связях между отдельными нанозернами, растрескивание начиналось раньше, чем возникала дислокационная пластичность внутри зерен. Однако, наноструктурированная медь, полученная гальваническим путем, почти не имеет остаточных напряжений, и ее удлинение может достигать 30%, как показано на рис. 8.10. Эти результаты подчеркивают важность выбора технологии обработки и влияние дефектов и микроструктуры на механические свойства. Вообще говоря, результаты измерений пластичности объемных наноструктурированных материалов весьма разнородны вследствие их чувствительности к дефектам и пористости, зависящих в свою очередь от технологии изготовления. Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот... Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем... Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право... Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|