Механические свойства наноматериалов

2.3. Прочность и пластичность

    Снижение  размера зерна - d приводит к росту предела текучести и временного сопротивления с соотношением Холла-Петча:

  k∙,

где и к - константы. Для иллюстрации этого соотношения на рис.6 представлен график зависимости предела текучести меди от размера зерна. Однако для материалов, полученных кристаллизацией из аморфного состояния, обнаружены нелинейные зависимости и от : существует критический размер зерна (около 20..50 нм), ниже которого прочность уменьшается. Этo объясняется увеличением вклада зерногpаничноrо проскальзывания, а затруднение процесса проскальзывания приводит к хрупкому поведению наноматериалов.

    Значительное  влияние на механические свойства наноматериалов оказывают гpаницы зерен. Прямые наблюдения методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения показали, что структура гpаниц зерен наноматериалов подобна структype высокоугловых границ. Важным фактором, определяющим деформационное поведение наноматериалов, являются внyтpенние напряжения, наличие которых обусловлено большим числом близко расположенных гpаниц зерен и тройных стыков зерен, а также особенностями методов получения наноматериалов. Прочность при растяжении нанокристаллическоrо никеля (размер зерна 100 нм), полученного методом экструзии, превышает прочность крупнозернистоrо аналога в 1,7 раза. Прочность при растяжении нанокристаллическоrо золота (размер зерна 36 нм), полученного методом конденсации из паровой фазы, превышает прочность крупнозернистого аналога в три раза. Истинное напряжение течения при динамическом сжатии нанокристаллическоrо тантала (размер зерна около 0,1 мкм) со скоростью деформации

2,5∙ больше, чем у крупнозернистоrо тантала (с размером зерна 15 мкм) в два раза, а относительная деформация до разрушения в четыре раза (табл.5).

    В табл.6 приведены механические свойства меди с размером зерна 0,2 мкм, полученной методом равноканального углового прессования. Видно, что при растяжении и напряжение разрушения при сжатии приближаются к прочности холоднодеформированной меди при сохранении высокой пластичности.

    Пористость  приводит к значительному падению прочности материалов. Так для образцов меди с размером зерна 36 нм, полученных теплым прессованием нанопорошка, содержащих 5,7% пор, увеличение прочностных характеристик при растяжении по сравнению с крупнозернистым аналогом было незначительным, хотя твердость возросла в шесть раз. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3.Исследование  механических свойств

    В силу трудностей изготовления нанокристаллических  образцов для испытания на растяжение, преимущественное распространение  получили испытания на твердость; для  проведения последних используют небольшие  образцы произвольной формы. Для  наноструктурных пленок это также  широко распространенный метод, который  в последнее время реализуется  с использованием специальной аппаратуры – наноинденторов, применяющих весьма небольшие нагрузки (около 0,01 Н и  менее) и измерения в процессе нагружения.

    Наноиндентор – твердый предмет определенной геометрической формы (шар, конус, пирамида) и размеров, вдавливаемый в поверхность исследуемого материала под действием заданной нагрузки или собственного веса для измерения твердости, предела текучести, модуля упругости и других свойств материала в процессе индентирования. Индентирование производится вдавливанием в изучаемый образец индентора, обладающего известными механическими свойствами (формой, модулем упругости и т.д.), с заданным усилием. Далее либо исследуется форма и размер пятна контакта, либо строится кривая зависимости положения индентора от нагрузки. Инденторы отличаются друг от друга формой наконечника. В основном, для индентирования применяются наконечники конической, пирамидальной, сферической, цилиндрической и клиновидной формы. Отдельно следует выделить кубический индентор, имеющий форму трёхгранной пирамиды с прямым углом между рёбрами, и индентор Берковича, применяемый при стандартных испытаниях материалов на микротвёдость, твёрдость при царапании, предел текучести и т.д. Наконечник индентора обычно изготавливается из алмаза, сапфира или твердого сплава. При его изготовлении требуется очень высокая точность, в настоящее время обеспечиваемая лишь лазерным гониометром. Оборудование для наноиндентирования требует высочайшей точности изготовления и настройки. Проведение испытаний подразумевает полную изоляцию материалов, так как малейшие температурные и атмосферные флуктуации способны сильно исказить результаты. Наноиндентирование обычно применяется там, где необходимо исследовать малые объёмы вещества: тонкие плёнки и покрытия, микро- и наноструктуры. Помимо этого, специально выдавливая зондом атомно-силового микроскопа нанометровые углубления на какой-либо поверхности, можно получать микроизображения определенного рисунка. Такой процесс называется наночеканкой. Например, нанося на поверхность полимера высокоупорядоченные массивы нанометровых ямок, создают устройства хранения информации нового поколения, так называемую нанопамять.

      Однако несмотря на относительную  простоту исследования твердости,  всегда нужно обращать внимание  на интервал используемых нагрузок, толщину пленок, топографию их  поверхности, остаточные напряжения  и другие факторы, влияющие  на твердость.

          В тех случаях, когда  нанокристаллические образцы имеют  размеры, достаточные для проведения испытаний на растяжение (продольный размер такого образца должен намного  превосходить поперечный размер, а  последний в свою очередь должен существенно превышать размер зерна), может быть получена информация о  пределе текучести, пределе прочности  и относительном удлинении при  одноосном растяжении.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Вывод:

     1. Это многоуровневый характер  влияния на прочность и особенно  на пластичность не только  размера зерна, но и пористости, наличия примесей, пограничных сегрегаций  и включений, текстуры, остаточных  напряжений, природы границ и  др.

     2. В силу ограниченности числа  образцов многие результаты кажутся  недостаточно представительными  и нуждаются в дополнительной  и независимой проверке. Все это  делает проведение исследований  в этом направлении и анализ  полученных результатов достаточно  не простым и свидетельствует,  наряду с отмеченными ранее  некоторыми из нерешенных вопросов, о необходимости проведения дополнительных  работ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Список  литературы:

1. «Наноструктурные материалы», 2005 г.  Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля

2. Алымов М.И. Механические свойства нанокристаллических материалов. Уч. пособие. М.: МИФИ, 2004. 32 с.