8.1.2 Механизмы разрушения традиционных поликристаллических материалов

Для 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.

Рис. 6.6 Трещина в двумерной прямоугольной решетке

Рис. 6.7 Краевая дислокация в двумерной прямоугольной решетке

8.1.3 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 σ_у традиционных материалов связан с размером зерна по­средством уравнения Холла-Петча

σ_у = 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 σ_у с уменьшением d (отрицательный наклон).

Рис. 6.8. Зависимость отношения модуля Юнга нанозернистого железа Е к модулю Юнга железа с обычным размером зерен E0 от размера зерна.

Рис. 6.9. Предел текучести Fe-Co сплава от 1/d^l/2, где d — размер зерен.

С

Рис. 6.10. Кривая нагружения наноструктурированной меди, полученной путем электрохимического осаждения.

читается, 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.