Нанотехнологии в металлургии
жүктеу/скачать 0.95 Mb.
|
| Механические свойства
Механические свойства материала сильнейшим образом зависят от природы связей между составляющими данный материал частицами и от его микроструктуры на нескольких, пространственных масштабах. Большинство материалов с наноразмерными зернами (обычно средний размер зерен в них составляет менее нескольких десятков нанометров) обладают механическими свойствами, заметно отличающимися от аналогичных материалов с большим размером зерен. Двумя из наиболее часто отмечаемых различий являются отклонение ог соотношения Холла— Петча для предела текучести и повышенная пластичность. В частности, сверхчистые металлы обладают большим сопротивлением и, очевидно, менее пластичны, чем металлы с примесями. Интерметаллические сплавы, т. е. сплавы, состоящие из двух или более металлов и характеризующиеся свойствами, отличными от свойств составляющих их металлов, также обладают высоким сопротивлением, но при этом их пластичность повышается с уменьшением размера зерен. Хотя и предполагается, что это обусловлено размером зерен, на них также влияет большое процентное содержание атомов на межзеренных границах и другие особенности микроструктуры. Упрочнение, по-видимому, является следствием ограничения активности дислокаций, дефектов в кристаллической решетке твердого тела, а повышенная пластичность, вероятно, связана с взаимным скольжением между соседними зернами. Для того чтобы охарактеризовать механические свойства материала, обычно используется такой показатель, как предел текучести ау, представляющий собой значение прилагаемого механического напряжения, при котором материал начинает деформироваться пластически, что приводит к его необратимой деформации. Предел текучести материала связан с размером зерен через эмпирическое соотношение Холла—Петча: cry - оо „ Кцр d' 2, (7) где (Гг, — напряжение трения, препятствующее движению дислокаций; К,/у — постоянная, величина которой зависит от конкретного материала; d — средний диаметр зерен. Твердость материала также может быть описана через аналогичное уравнение. И предел текучести материала, и его твердость при меньшем размере зерен более высоки. Причина такого поведения состоит в том, что материалы с меньшим размером зерен обладают большим количеством межзеренных границ, препятствующих движению дислокаций. Тем не менее, для материалов, состоящих из зерен диаметром менее 20—50 нм в зависимости от конкретного материала, не даются серьезные отклонения от поведения по Холлу—Петчу. Отклонение от линейного поведения варьируется от отсутствия какой бы то ни было зависимости от размера зерен (нулевой клон) до увеличения предела текучести с уменьшением размера зерен (отрицательный наклон), как показано на рисунке 1.8. Такое заметное различие в характеристиках преимущественно обусловлено повышением роли межзеренных границ в нанозернистом материале. В случае обычных материалов, состоящих из крупных зерен, межзеренную границу можно в целом рассмотреть как сток почти нулевой толщины, деформация которого вносит лишь небольшой вклад в общее состояние пластического напряжения, однако с уменьшением размеров зерен до нанометровых на межзеренные границы начинает приходится значимая популяция атомов. При этом деформация границ может иметь определенное влияние на общее пластическое напряжение в материале, тем самым приводя к его необратимой деформации. Кроме того, в наноразмерных материалах наблюдается асимметрия поведения при растяжении и сжатии (гак называемый S-D-эффект, см. рисунке 1.8), отсутствующая в материалах с большим размером зерен. Многие наноструктурные металлы и керамики проявляют сверхпластические свойства и могут подвергаться деформации большой степени интенсивности без образования шеек или разломов. Предполагается, что сверхиластичность является следствием диффузии и скольжения межзеренных границ, значимость и роль которых повышается с уменьшением размеров зерен. В целом эти эффекты повышают достигаемые на данный момент пределы текучести пластичности используемых материалов, в то время как в обычных условиях прирост предела текучести сопровождается соответствующей потерей пластичности. Повышенная пластичность наблюдалась как в металлических, так и в керамических материалах. Так, образец из нанокристаллической меди чистотой выше 99,993 атомных процентов со средним размером зерен 28 нм удалось деформировать до 5100 % увеличения длины при комнатной температуре, некоторые композитные керамики могут подвергаться деформации растяжения до 1050 % увеличения длины при 1650иС, не ломаясь при этом. Нижний набор экспериментальных данных из четырех точек был получен при растяжении образца, а верхняя кривая рассчитана для случая его сжатия. На нанометровом масштабе между процессами растяжения и сжатия имеется существенное различие (S-D-эффект). жүктеу/скачать 0.95 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|