Влияние размера зерен и границ раздела на свойства компактных наноматериалов
Для теоретического осмысления экспериментальных результатов, полученных на компактных наноматериалах, нужно уметь разделять поверхностные (связанные с границами раздела) и объемные (связанные с размером частиц) эффекты. Эта задача далека от полного решения, так как в настоящее время изучение компактных наноматериалов все еще находится на этапе накопления экспериментальных результатов. По этой причине уровень теоретического понимания строения и свойств компактных нанокристаллических материалов заметно ниже по сравнению с изолированными наночастицами.
4.1 Аномалии механического поведения
Среди свойств нанокристаллических материалов в первую очередь необходимо отметить необычайно высокую твердость. Твердость характеризует сопротивление материала пластической деформации при вдавливании в него более твердого тела, например, алмаза. При измерении твердости по методу Виккерса эффекты, связанные с различием упругих свойств материалов, практически исключаются, так как размер отпечатка измеряется после снятия напряжения, т.е. в отсутствие упругого нагружения. Экспериментально измеренные величины твердости подвержены влиянию таких побочных факторов, как неидеальность поверхности материала, отклонение от перпендикулярности поверхности материала и оси индентора, неправильный выбор времени нагружения и массы нагрузки, а также наличие в материале пор и свободных объемов, однако в основном твердость материала определяется пределом текучести σу. Размер зерен оказывает заметное влияние на микротвердость; этот эффект хорошо изучен на металлах, сплавах и керамике с размером зерен d более 1 мкм. Согласно закону Холла-Петча
|
|
|
1)
где σ0 — внутреннее напряжение, препятствующее движению дислокации; ку — постоянная. При температуре Т/Тm < 0,4-0,5 (Тm — температура плавления) твердость Нv (микротвердость по Виккерсу) связана с пределом текучести σу эмпирическим соотношением Нv/ σу « 3 . Отсюда следует размерная зависимость твердости
2)
где Н0 и к — постоянные.
Если деформация осуществляется диффузионным скольжением, то при небольшой температуре Т/Тm, скорость деформации dε/dt равна
3)
где В — коэффициент пропорциональности; σ — приложенное напряжение; Ω — атомный объем; δ — толщина границы зерна; D — коэффициент зернограничной диффузии.
Из уравнений 1 и 3 следует, что уменьшение размера зерен должно приводить к заметному изменению механических свойств. В частности, уравнения 1), 2) предсказывают упрочнение материала при уменьшении d. Вместе с тем из 3) следует, что при нанометровом размере зерен диффузионное скольжение приобретает важную роль даже при комнатной температуре, заметно увеличивая скорость деформации. Таким образом, влияние размера зерен на прочностные свойства нанокристаллического материала неоднозначно и зависит от соотношения между изменениями предела текучести и скорости деформации. Кроме этого нужно учитывать возможное увеличение коэффициента зернограничной диффузии D при уменьшении размера зерен. При 300 К микротвердость нанокристаллических материалов в 2-7 раз выше, чем Нv крупнозернистых материалов.
|
|
|
4.2 Теплофизические и электрические свойства
В отличие от наночастиц, для которых достаточно подроб но изучены поверхностные и размерные эффекты, наблюдаемые в фононном спектре и на температурных зависимостях теплоемкости, аналогичные исследования теплоемкости компактных нанокристаллических материалов ограничены несколькими работами. Теоретический анализ и экспериментальные калориметрические исследования показали, что в интервале температур 10 К ≤Т≤ΘD теплоемкость нанопорошков в 1,2-2 раза больше, чем соответствующих массивных материалов. Повышенная теплоемкость нанопорошков обусловлена как собственно размерным эффектом, так и их чрезвычайно развитой поверхностью, вносящей дополнительный вклад в теплоемкость.
Рисунок 3 – Температурные зависимости теплоемкости меди и палладия.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 375; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!