14.2. Механизмы разрушения традиционных материалов

Для того чтобы понять причины влияния наномасшабности 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. Окончательное же разрушение происходит из-за образования трещин в материале.

Трещина – это такая область в материале, в которой между соседними атомами решетки нет межатомной связи. Если материал с трещинами подвергать нагружению, то трещины не позволяют развиваться пластической деформации. Приложенные напряжения концентрируются на конце трещин, достигая очень больших значений, которые превосходят прочность материала. Такая ситуация приводит к разрыву межатомной связи на конце трещины, т.е. к ее удлинению. Затем напряжения возрастают на следующей связи, и она также разрывается.

Рис. 14.4. Механизм образований трещины

Подобное развитие трещины продолжается до тех пор, пока материал не разделится на составные части, полностью разрушившись. Трещины обеспечивают механизм, посредством которого слабая внешняя сила может разрывать прочные связи по одной. Этот факт объясняет, почему напряжения, вызывающие растрескивания, 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. В этой ситуации материал необратимо удлиняется 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 (рис.14.5) – краевых дислокаций.

Рис. 14.5. Краевая дислокация в двумерной решетке

Существуют и другие типы дислокаций, такие как винтовые и смешанные.

Дислокация – это области структуры материала, 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 металла (т.е. легирование). Такой процесс используется для упрочнения сталей. В сталь вводят преципитатные частицы карбида железа, которые и блокируют движение дислокаций, тем самым упрочняя материал.

14.3. Механические свойства наноструктурированных материалов

Модуль упругости наноструктурированного материала, по сути, тот же, что и у объемного материала с микронными размерами зерен, однако только до тех пор, пока размеры наночастиц не становятся ~ 5 нм. Как известно, модуль Юнга – это коэффициент пропорциональности между напряжениями и относительной деформацией, т.е. формально наклон кривой нагружения в её линейной области. Чем меньше модуль Юнга, тем материал более эластичен.

Размер зерна, нм

Рис. 14.6. Зависимость нормированного модуля Юнга

для наножелеза от размера зерен

На рис. 14.6 изображена зависимость модуля Юнга E для железа с наноразмерными зернами, нормированного на значение E₀ (для обычного железа). Как видно из графика, при размере зерен < 20 нм модуль Юнга начинает быстро уменьшаться.

Предел текучести σ_y традиционного материала связан с размерами зерна посредством уравнения Холла – Петча:

σ_y = σ₀ + Kd ^−(1/2) , (14.1)

где σ₀ – напряжение сил вязкого трения; d – размер зерна; К – постоянная, характеризующая материал.

Если рассчитать зависимость предела текучести (например, сплава Fe-Co) от d ^−(1/2) по формуле (14.1), то получим линейное поведение графика, что подтверждается экспериментальными данными. Предположив, что уравнение (14.1) справедливо и в нанометровой области размера зерен, при d = 50 нм получим предел текучести σ_y = 4,14 ГПа. Причина такого увеличения σ_y при уменьшении зерна d состоит в том, что у материала с меньшими зернами больше границ зерен, блокирующих движение дислокаций. Отклонение от поведения по закону Холла-Петча наблюдается уже при d < 20 нм. Оно может заключаться в отсутствие зависимости от размера зерна (т.н. нулевой наклон) и в падении σ_y с уменьшением d (отрицательный наклон).

Рис. 14.7. Расчетная зависимость предела текучести для Fe-Co

сплава от размера зерна

Считается, что традиционная деформация по дислокационному механизму в материалах с размером зерна меньше 30 нм невозможна ввиду малой вероятности появления подвижных дислокаций. Исследования объёмных 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 объёмных наноструктурированных материалов весьма хрупки и демонстрируют невысокую пластичность под нагрузкой. Типичные максимальные значения относительной деформации при d < 30 нм составляют всего несколько процентов. Например, обычная крупнозернистая отожженная поликристаллическая медь очень пластична и может удлиняться почти на 60 %. При испытании образцов меди с размерами зерна < 30 нм удлинение составляет не более 5%. Большинство таких измерений выполнялось на образцах из компактированного порошка, в которых имелись остаточные напряжения, причем достаточно большие. Из-за высоких внутренних напряжений и наличия дефектов в связях между отдельными нанозернами растрескивание материала начиналось раньше, чем возникала дислокационная пластичность внутри зерен. Однако наноструктурированная медь, полученная гальваническим путем, почти не имеет остаточных напряжений, и её удлинение может достигать 30 %.

Рис. 14.8. Зависимость деформации наноструктурированной

меди от приложенных напряжений

Приведенные результаты подчеркивают важность выбора технологии обработки и влияние дефектов, а также микроструктуры на механические свойства. Вообще говоря, результаты измерений пластичности объемных наноструктурированных материалов весьма разнородны вследствие их чувствительности к дефектам, пористости, которые в свою очередь зависят от технологии изготовления.