Упругие свойства материалов с малым размером зёрен

Упругие свойства твёрдых тел определяются с одной стороны межатомным взаимодействием, с другой – характеризуют механические свойства материала. В связи с этим изучение упругих свойств представляет не только практический, но и научный интерес.

Упругость – свойство твёрдых тел сопротивляться изменению их объёма или формы под действием механических напряжений и самопроизвольно восстанавливать исходное состояние при прекращении внешних воздействий. Характеризуется пределом упругости – максимальным напряжением, после удаления которого форма и размеры образца полностью восстанавливаются; модулем упругости – коэффициентом пропорциональности, связывающим напряжение и упругую деформацию; модулем сдвига – модулем упругости при сдвиге. Упругость – единственная характеристика механических свойств, дающая информацию о межатомном взаимодействии в кристаллической решётке материала.

Оценить величину модуля упругости Е и модуля сдвига G можно путём измерения скоростей продольных и поперечных ультразвуковых колебаний. На рис. 9 представлены зависимости Е и G от среднего размера зёрен d в образцах высокодисперсной меди, полученной интенсивной пластической деформацией.

Рис. 9. Зависимость модулей упругости Е и модуля сдвига G от размера зерна

субмикрокристаллической меди

Электронно-микроскопические исследования показали, что в результате деформации в изучаемом материале формируется однородная структура со средним размером зерна 200 нм. Для изменения размера зерна проводился отжиг в интервале температур 100–400 º С с шагом 25–50 градусов и выдержкой в течение 1 часа при каждой температуре.

Значения модуля упругости и модуля сдвига изучаемой меди были на 10–15 % меньше в сравнении с крупнозернистым материалом. На данных кривых можно видеть, что при размерах зерна 600 нм происходит резкий скачек упругих констант. Увеличение модуля упругости составляет 13 %, модуля сдвига – 12 %. Этот скачек соответствует температуре отжига – 125 º С. При больших размерах зерен, соответствующих отжигу при более высоких температурах, значительных изменений упругих модулей не происходит.

На величину упругих модулей материалов с малым размером зёрен может оказывать влияние три фактора. Во-первых, высокие внутренние напряжения, которые в случае формирования наноструктуры пластическим деформированием, неизбежно возникают в материале. Во-вторых, наличие решёточных дислокаций, которые в общем случае уменьшают упругие модули. В-третьих, это наличие в материалах, полученных интенсивной пластической деформацией, зернограничных прослоек, уменьшающих упругие модули в границах зёрен.

Как показывают расчеты, ни один из перечисленных факторов в полной мере не может объяснить уменьшение значений упругих модулей в мелкозернистых материалах. Поэтому в качестве еще одной из возможных причин наблюдаемого эффекта увеличения характеристик упругости до значений крупнокристаллических материалов следует рассмотреть перестройку неравновесных границ. Отжиг при относительно низких температурах и механические напряжения, создаваемые звуковой волной, приводят к аннигиляции неравновесных дефектов, релаксации напряжений вдоль границ и, в итоге, к трансформации зернограничной структуры в относительно равновесную.

Внутреннее трение в высокодисперсных материалах

Важной проблемой является демпфирование колебаний металлических материалов. Повышение демпфирующих свойств снижает вредное воздействие циклических нагрузок, уменьшает шумы, связанные с вибрацией механизмов; гашение вибраций, способствует повышению точности измерительных приборов.

Внутренним трением называют способность материала рассеивать механическую энергию, сообщаемую телом при нагружении.

Демпфирование – искусственное подавление колебаний механических, электрических и других систем.

Внутреннее трение исследовано в образцах высокодисперсной меди, полученных интенсивной пластической деформацией. Было выявлено, что в изучаемом материале со средним размером зёрен примерно 200 нм уровень фона в 4–5 раз выше, чем у крупнокристаллической меди, и в 2–3 раза выше, чем у серого чугуна, который является критерием при определении условной границы высокого демпфирования.

На рис. 10 представлены температурные зависимости внутреннего трения мелкокристаллической (кривая 1 и 2) и крупнокристаллической меди (кривая 4).

Рис.10. Температурные зависимости внутреннего трения высокодисперсной меди, измеренные при последовательных циклах нагрева: 1, 2, 3, 4 – при нагреве от 4К до 400, 500, 600 и 650 К, соответственно. Низкотемпературная часть приведена с увеличением шкалы внутреннего трения в 10 раз

Представленные кривые имеют сильные отличия. В частности, в исследованном материале примерно на 120 градусов снижается начало интенсивного роста величины внутреннего трения и имеется сильно выраженный максимум при 475 К. Наличие этого пика, называемого зернограничным, объясняется интенсификацией зернограничного проскальзывания в материале.

Обнаруженное существенное различие температурной зависимости внутреннего трения в мелко- и крупнокристаллической меди может быть связано не только с различным размером зёрен, но и переходом границ зёрен в равновесное состояние при нагреве больше 500 º С. Как предполагается, различие модулей упругости зёрен и межзёренных границ позволяет рассматривать мелкокристаллический материал как неоднородный для распространения упругих колебаний. Вследствие этого в нём происходит существенное рассеяние упругих колебаний, обуславливающее рост демпфирующих свойств. Таким образом, наноматериалы должны сочетать повышенные прочностные и демпфирующие свойства, в то время как в обычных материалах при повышении демпфирующих свойств прочностные свойства снижаются.

Усталостное поведение мелкозернистых материалов

Возможность промышленного применения наноматериалов в качестве конструкционных во многом определяется их усталостным поведением.

Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторных или повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению.

Повышение прочности нанометаллов и сплавов позволяет ожидать увеличение также их усталостной прочности. Как показали проведённые эксперименты, тенденция значительного повышения усталостной прочности и долговечности в материалах с мелкозернистой структурой наблюдается достаточно отчётливо.

В качестве примера можно привести результаты исследования усталостного поведения образцов меди, полученных РКУ-прессованием. Циклические испытания на растяжение–сжатие были проведены при амплитудах деформации в интервале 10^–4–10^–3 при комнатной температуре.

Кривые циклического упрочнения для образцов после РКУ-прессования и отжига при различных температурах приведены на рис. 11. Видно, что для всех образцов наблюдается стадия насыщения. Однако абсолютные значение напряжения насыщения значительно различаются в зависимости от температуры термообработки.

Рис.11. Кривые циклического упрочнения образцов Cu в зависимости от накопленной пластической деформации ε после интенсивной пластической деформации (1) и отжига (2 и 3)

Испытания нескольких мелкозернистых образцов, полученных при различных амплитудах деформации, показали примерно равные величины напряжения насыщения (рис. 11, кривая 1). После кратковременного отжига при 473 К напряжение насыщения уменьшается (рис. 11, кривая 2). Тем не менее, это значение заметно выше, чем то, которое соответствует крупнокристаллической меди. Образцы, отожжённые при 773 К, проявляют циклическое поведение, характерное для обычной поликристаллической Cu.

Для интерпретации необычного усталостного поведения мелкозернистых материалов удобна двухфазная модель. Если образцы имеют одинаковый размер зёрен до и после кратковременного отжига, то механизмы упрочнения в этих материалах могут быть подобны. Поскольку в результате отжига меняется состояние границ зёрен, имеет смысл предположить, что циклическое упрочнение скорее контролируется размером зёрен, чем состоянием границ зёрен. В то же время уменьшение абсолютных значений усталостных величин после кратковременного отжига, когда размер зёрен остаётся неизменным, объясняется различной структурой границ зёрен. Крайне неравновесные границы зёрен, содержащие зернограничные дислокации, приводят к упругим искажениям кристаллической решётки.