|
Технологии нанообработки_3. Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки
5.2.Свойства и области применения объемных
наноматериалов
Повышение предела текучести и прочности материала обычно приводит к росту хрупкости материала, т.е. к снижению допустимой деформации до разрушения. Наноструктурные материалы позволяют обеспечить оптимальное сочетание этих свойств, причем эффект достигается не за счет использования дорогостоящих легирующих компонентов, а лишь благодаря изменению структуры материала.
В основе повышения характеристик НМ лежит уменьшение размера зерен материала, возможности образования сложных композитных соединений на наноуровне и многие другие факторы.
Одно только уменьшение размера зерен в технических металлах и сплавах с обычных 1…10 мкм до 50 нм позволяет, в соответствие с законом Холла-Петча, увеличить прочность материала на порядок. В области  нм наблюдаются заметные нарушения закона Холла-Петча.
Закон Холла-Петча выглядит следующим образом:
 (5.26)
где k — константа материала; d — размер зерна в материале;  — предел текучести при обычном размере зерен;  — предел текучести упрочненного материала.
Реально легко достигается упрочнение в 5…6 раз. Однако при этом растет хрупкость и уменьшается термическая стабильность, что требует принятия специальных мер.
Рисунок 5.54 Зависимость объемной доли границ зерен и тройных стыков от размера зерна (при толщине границы зерна 1 нм)
С уменьшением размера зерна объемного материала от 1 мкм до 2 нм объемная доля межзеренного вещества увеличивается до 88% (рис. 5 .54). Объемные доли межзеренной и внутризеренной (совершенной) компоненты равны при размере зерна около 5 нм. Объемная доля тройных стыков значительно возрастает при размерах зерен менее 10 нм [55].
Формирование нанокристаллических структур позволяет получать конструкционные материалы с уникально высокими свойствами. Например, их микротвердость в 2–7 раз выше, чем твердость крупнозернистых аналогов, причем это не зависит от метода получения материала (рис. 5 .55 Влияние размера зерна d на микротвердость металлов) [].
Рисунок 5.55 Влияние размера зерна d на микротвердость металлов
Прочность нанокристаллических материалов при растяжении в 1,5–2 раза выше, чем у крупнозернистых аналогов (эта проблема требует дальнейшего изучения). Однако в ряде работ наблюдали падение твердости с уменьшением размера зерна ниже некоторого критического размера, что, вероятнее всего, связано с увеличением доли тройных стыков границ зерен [Error: Reference source not found]. Для больших зерен рост прочности и твердости при уменьшении их размера обусловлен введением дополнительных границ зерен, которые являются препятствиями для движения дислокаций. При малых наноразмерных зернах рост прочности происходит благодаря низкой плотности имеющихся дислокаций и трудности образования новых.
Рисунок 5.56 Соотношение между прочностью и пластичностью для сталей
На рис. 5 .56 представлено соотношение между прочностью и пластичностью для сталей. Сталь 12Х18Н10Т с нанокристаллической структурой обладает хорошим соотношением прочности и пластичности [Error: Reference source not found]. В отдельных случаях низкая пластичность нанокристаллических материалов вызывается, по-видимому, сложностью образования, размножения и движения дислокаций, а также наличием пор, микротрещин и включений в этих материалах.
При уменьшении размера зерна от 10 мкм до 10 нм скорость износа никеля уменьшается в 170 раз. Износостойкость алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой значительно выше, чем крупнозернистых (рис. 5 .57) [Error: Reference source not found].
Рисунок 5.57 Износостойкость алюминиевых сплавов
Такие хрупкие материалы, как интерметаллиды, становятся пластичными при уменьшении размеров зерен ниже критических размеров, что можно объяснить наличием специфических механизмов зарождения и распространения микротрещин. Для керамических нанокристаллических материалов обнаружена повышенная пластичность при низких температурах, ее можно использовать в промышленных процессах экструзии и прокатки [Error: Reference source not found].
Для всех наноматериалов (так же как и для малых частиц) имеет место увеличение теплоемкости с уменьшением размера зерна, но наибольший ее прирост наблюдается для наноматериалов, полученных прессованием порошков. Коэффициент объемного термического расширения увеличивается с уменьшением размера зерна. Коэффициент граничной диффузии в наноматериалах значительно выше, чем в крупнозернистых, что позволяет их легировать нерастворимыми или слаборастворимыми при обычных условиях элементами за счет более развитой зеренной структуры [Error: Reference source not found, 56].
Нерастворимые друг в друге элементы могут смешиваться в области границ зерен, где структура разрыхлена и допускает существование чужеродных атомов. В наноструктурных материалах области контакта зерен занимают очень большую долю объема всего материала, что значительно расширяет возможности легирования.
Итак, наноразмерные структуры конструкционных материалов открывают уникальные возможности для получения нового уровня свойств: высокой прочности, твердости, износостойкости при достаточно высокой пластичности. Повышение пластичности керамики и интерметаллидов открывает большие перспективы для их использования в конструкциях.
Объемные НМ в силу своих высоких прочностных характеристик могут найти широкое применение в качестве материала для
режущего, штампового и др. инструмента;
ответственных деталей, работающих в условиях сильного износа, ударных, вибрационных нагрузок;
ввода в виде армирующих компонентов в межфазные слои композиционных строительных материалов и т.д.
|
|
|
Скачать 8.65 Mb.