МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

Как известно, механические свойства существенно зависят от структуры материала. На эти свойства оказывают влияние поры, микротрещины, внутренние микронапряжения, дефекты структуры, размеры зерен и другие факторы.

При рассмотрении механических свойств поликристалл обычно представляют как совокупность произвольно ориентированных монокристалликов, отделенных друг от друга высокоугловыми границами. На начальной стадии наложения внешней нагрузки картина деформации внутри каждого зерна такая же, как если бы каждое отдельное зерно деформировать отдельно. Поскольку ориентация зерен по отношению к приложенному напряжению различна, то деформация в них начинается не одновременно и развивается неоднородно. Таким образом, считается, что особенности поведения механических свойств, в крупнозернистых поликристаллах связаны, прежде всего, с двумя факторами: наличием межзеренных границ и разориентацией зерен.

Изучение твердости применяется при исследованиях фазовых и структурных превращений, а также как средство контроля качества изделия.

Твердость – сопротивление материала вдавливанию.

Зависимость твердости от величины зерна H(d) определяется уравнением Холла – Петча

H(d) = H₀ + k d^-1/2, (13-15)

где H₀ – твердость тела зерна,( Па); k- коэффициент пропорциональности, d – размер зерна (м).

Соотношение показывает, что уменьшение размера зерен должно приводить к упрочнению материала. Действительно, при комнатной температуре твердость наноматериалов в 2- 7 раз выше, чем у крупнокристаллических аналогов. Как известно, деформация материала связана с перемещением дислокаций, при этом границы зерен служат эффективными барьерами для их движения. Понятно, что чем мельче зерно, тем чаще встречаются барьеры на пути скользящих дислокаций, и, следовательно, требуются более высокие напряжения для пластической деформации материала на начальных ее стадиях. Как результат, по мере измельчения зерна твердость возрастает. Однако, по достижении некоторой критической величины кристаллов, в большинстве случаев происходит ее уменьшение (рис.209).

Рис.209 Схема зависимости твердости материала от размера зерна: 1 – область, подчиняющаяся закону Холла-Петча; 11 –область аномальной зависимости.

Прочность – сопротивление разрушению (разрыву). Характеризуется пределом прочности – напряжениями, соответствующими максимальным значениям нагрузки.

К прочностным свойствам относится и сопротивление пластической деформации.

Пластическая деформация характеризуется напряжениями, необходимыми для достижения некоторой заданной величины остаточных деформаций. Так, предел текучести определяет напряжения, вызывающие при растяжении пластические деформации, равные 0,2%.

В теории предела текучести поликристаллов его зависимость от размера зерна является важнейшей. Твердость по Виккерсу связана с пределом текучести σ при температурах ниже (0,4 -0,5)Т_пл приблизительным соотношением Н/ σ≈ 3. Таким образом, для предела текучести наноматериала σ(d) справедливо соотношение

σ(d) = σ₀ + k_у d^-1/2, (13-16)

где σ₀ – напряжение, необходимое для перемещения дислокаций внутри зерна, Па, k_у – коэффициент, определяющий трудность передачи деформации от зерна к зерну.

Исследования твердости и испытания на изгиб показали, что после интенсивной пластической деформации твердость и прочность наноматериала из титана достигают максимальных значений, которые более чем в три раза превышают значения в сравнении с крупнозернистым состоянием. Однако отжиг выше 350⁰С, когда начинается рост зерен, она резко уменьшается (рис.210).

Рис. 210 Зависимость твердости H_v, предела прочности σ_в, предела текучести σ_т и размера зерна d наноструктурного титана от температуры отжига.