Влияние размерного эффекта на механические свойства

Твердость, прочность, пластичность, упругие характеристики наноматериалов интенсивно изучаются при комнатных, низких и высоких температурах. Независимо от области применения любые материалы должны отвечать определенным механическим характеристикам. Прочность и особенно пластичность являются высоко структурно-чувствительными параметрами и для них проблема аттестации применительно к наноматериалам приобретает первостепенное значение.

Для иллюстрации на рис. 18, а, б показано влияние размера зерен на твердость, прочность и относительное удлинение образцов железа, полученных методом горячего прессования порошков, подвергнутых интенсивному измельчению.

Рис. 18. Влияние размера зерен на свойства материалов [58]: а — зависимость твердости (1) и прочности (2) железного компакта от размера зерен; б — зависимость относительного удлинения образца меди (1), серебра (2), палладия (3), сплава алюминия с Цирконием (4), алюминия с титаном (5); в — микрофотография железного компакта, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа (стрелками показаны поры и разрывы)

Если твердость как наименее структурно-чувствительная характеристика закономерно увеличивается с уменьшением размера зерна, то прочность и особенно пластичность существенно снижаются. Электронно-микроскопическое исследование образцов обнаружило наличие в структуре несплошностей и пор с надрезами (рис 18, в), которые провоцировали зарождение трещин, что способствовало снижению показателей прочности и особенно пластичности, нивелируя положительное влияние наноструктуры [30].

Наличие пор и других дефектов, остаточные напряжения, примеси в объеме зерен и на поверхностях раздела, текстура — все это должно учитываться при анализе механических свойств наноматериалов.

Сами по себе поверхности раздела (границы зерен) являются препятствиями на пути распространения дислокаций и трещин, что и предопределяет повышение прочности и твердости наноматериалов. 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 металлических крупнозернистых материалов влияние размера зерна на твердость (прочность) описывается соотношением ХоллаПетча.

где Нv — твердость; уT, — предел текучести; Н0 — твердость тела зерна; у0 — внутреннее напряжение, препятствующее распространению пластического сдвига в теле зерна; k — коэффициент пропорциональности.

На рис 19 приведены данные, иллюстрирующие влияние размера зерна L и толщины индивидуальных слоев д в многослойных пленках на твердость. Как видно, во многих случаях значение Нv увеличивается с уменьшением L и д, но для ряда объектов наблюдается немонотонная зависимость и даже обратная (так называемый «анти —Холл—- Петч»).

Немонотонное изменение твердости в случае многослойных пленок ТЕМ-СЫЧ связано с тем, что начиная с некоторых значений толщины (б = 20 нм) двухфазная система ТiN-СrN за счет термического воздействия при на-пылении превращается в однофазный твердый раствор с исчезновением поверхностей (границ) раздела, что и сопровождается снижением показателей твердости. В случае многослойных пленок ТiNNbN и ТiN—ZrN, судя по данным РСА, двухфазная структура и поверхности раздела сохраняются вплоть до толщин м 10 нм и твердость продолжает расти, достигая значений, близких к таковым для алмаза (см. рис. 3.24, в). Эти данные наглядно демонстрируют роль поверхностей раздела как препятствий на пути распространения дислокаций и трещин. Увеличение твердости металлических наноматериалов может составлять 500 — 600%; для хрупких объектов такое увеличение несколько ниже, но тоже довольно значительно — до 200−300% [31].

Твердость некоторых наноматериалов приведена в табл. 7, 8.

Таблица 7.

Таблица 8.

Высокие показатели пластичности для мелкозернистой меди были реализованы в результате прокатки при температуре жидкого азота и образовании микроструктуры с зернами размером менее 300 нм и кратковременного отжиг при Т= 200 °C. На рис. 20 показаны диаграммы напряжение—деформация для образцов меди, полученных при комнатной температуре методом интенсивной пластической деформации путем равноканального углового прессования. Исходная крупнозернистая медь (L 30 мкм) характеризуется низкими показателями прочности и высокой пластичностью (кривая 1. рис 20). Обычная прокатка с 60%-м уменьшением толщины значительно увеличивает прочность, одновременно существенно снижая пластичность (кривая 2, рис. 20).

Рис. 20. Кривые напряжение—деформация, полученные при испытании медных образцов :

1 — исходная крупнозернистая медь: и` 2 — то же после холодной прокатки: З, 4 — то же после соответственно 2 и проходов равноканального углового прессования Два прохода равноканального углового прессования приводят к росту показателей прочности и пластичности, а после 16 проходов (размер зерна около 100 нм) увеличивается как прочность, так и, что особенно важно, пластичность. Аналогичные результаты получены и для других металлов (например, титана).

Фрактографическое исследование деформации наноматериалов выявило наличие существенного интеркристаллитного разрушения, т. е. распространения трещин по границам зерен (рис. 21, а), характерно также, что переход от наноструктуры к более крупным зернам сопровождается транскристаллитным разрушением (рис. 21 б).

Рис. 21. Изломы образцов ТiN, спеченных из ультрадисперсного порошка при температуре 1200 `С и давлении 4 ГПа [30]: a — исходный порошок с частицами размером — 18 нм; б — исходный порошок счастицами размером -80 нм и отдельными крупными частицами >1 мкм

Теоретически механизм деформации наноматериалов рассматривался многими исследователями. Можно таким образом коротко суммировать, что начальная стадия деформации наноматериалов связана с проскальзыванием на границах зерен, которое сопровождается генерацией дислокаций от межзеренных границ внутрь зерен. Эта геперация прекращается при определенных размерах зерна, что и проявляется в аномалиях соотношения ХоллаПетча [32].

Кроме этого, уменьшение размеров нанокластеров, образующих наноструктуру, приводит к созданию большего числа и увеличению площади межфазных границ с избыточной энергией, которые демпфируют колебания и приводят к улучшенным антиколебательным свойствам.

Замечательное свойство наноструктур представляет их сверхпластичность. Длина образцов наноматериалов при растяжении может увеличиваться в десятки раз. Впервые это явление было обнаружено при растяжении сплава Sn—В, когда образец удлинялся более, чем в 20 раз. Металлические наноструктуры и наноструктуры из сплавов металлов позволяют получать сверхпластичные материалы при температурах гораздо ниже температуры плавления. Так, для Ni и Ni^AI низкотемпературная сверхпластичность наблюдалась при температурах 470 и 450° С соответственно, что почти втрое меньше температуры плавления [33].