Чадек й ползучесть металлических материалов
Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Дмитриевский Александр Александрович, Васюков Владимир Михайлович, Синегубов Максим Юрьевич, Шуклинов Алексей Васильевич, Столяров Роман Александрович
Изучены механические свойства материалов, в частности, ползучесть и пластическая деформация. Отлажена установка и разработана методика диагностики механизмов ползучести в наношкале . Получены первые результаты. БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках Приоритетного национального проекта «Образование» Министерства образования и науки РФ, а также при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 06-02-96316, № 09-02-97541-р_центр-а).
Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Дмитриевский Александр Александрович, Васюков Владимир Михайлович, Синегубов Максим Юрьевич, Шуклинов Алексей Васильевич, Столяров Роман Александрович
Синтез и характеризация физико-механических свойств стабилизированной циркониевой керамики из природного бадделеита
Creeping of materials in nanoscale and methods of its diagnostics
The mechanical properties such as creeping and plastic deformation were investigated. The adjustment and the methodic were of creeping mechanisms diagnostics in nanoscale were worked out. The first results were received.
Текст научной работы на тему «Ползучесть материалов в наношкале и методы ее диагностики»
Таким образом, в работе на разных масштабных уровнях проведены феноменологические исследования механических свойств структур, состоящих из аморфной пленки нитрида алюминия на кремниевой подложке. Методом сканирующей электронной микроскопии получены изображения отпечатков индентора, а также срезов, выполненных на трещинах и отслоениях.
1. Nakamura S., Senoh M., Nagahama Sh., Iwasa N., Yamada T., Matsushita T., Kiyoku H., Sugimoto Y., Kozaki T., Umemoto H., Sano M., Chocho K. // Jpn. J. Appl. Phys. 1998. V. 37. Part 2. P. L309.
2. Miskys C.R., Garrido J.A., Nebel C.E., Hermann M., Ambacher O., Eickhoff M., StutzmannM. // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82. P. 290.
3. Andrei A., Krupa K., JozwikM., Delobelle P., Hirsinger L., Gorecki C., Nieradko L., Meunier C. // Sensors and Actuators A. 2008. V. 141. P. 565.
4. Головин Ю.И. // ФТТ. 2008. Т. 50. №. 12. С. 2113.
5. Badylevich M., Shamuilia S., Afanas'ev V.V., Stesmans A., Fedorenko Y.G., Zhao C. // J. Appl. Phys. 2008. V. 104. P. 093713.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 09-02-97541).
Поступила в редакцию 20 ноября 2009 г.
Dmitrievskiy A.A., Efremova N.Yu., Kosirev P., Koren-kov V.V., Shuklinov A.V., Badylevich M., Fedorenko Y.G. Electronic microscopy and mechanical properties of AlN/Si structures.
Mechanical properties of AlN/Si structures were investigated by the dynamic micro- and nanoindentation method. Monitoring of imprints with the depth from 100 nm to 3 mkm were carries out by the method of scanning electronic microscopy.
Key words: thin foils; aluminium nitride; micro- and nanointending; scanning electronic microscopy.
ПОЛЗУЧЕСТЬ МАТЕРИАЛОВ В НАНОШКАЛЕ И МЕТОДЫ ЕЕ ДИАГНОСТИКИ
© А.А. Дмитриевский, В.М. Васюков, М.Ю. Синегубов, А.В. Шуклинов,
Р.А. Столяров, Е.Ю. Исаева, К.В. Тихомирова
Клюжевые слова: ползучесть; тестирование ползучести; ползучесть в наношкале.
Изучены механические свойства материалов, в частности, ползучесть и пластическая деформация. Отлажена установка и разработана методика диагностики механизмов ползучести в наношкале. Получены первые результаты.
При производстве деталей и узлов машин и конструкций из различных материалов (кристаллических, аморфных, полимерных) наиболее существенными являются их механические свойства - прочность, твердость, пластичность, износостойкость и пр. Именно благодаря комплексу этих свойств они получили столь широкое практическое применение. Особый интерес вызывают механизмы ползучести и пластической деформации в нанообъемах, т. к. они дают наиболее полную и комплексную информацию о связи «структура-свойства» неразрушающим методом.
Ползучесть - медленное деформирование тела под действием постоянной нагрузки или постоянного напряжения. Адаптация атомной решетки макроскопически проявляется как деформация. Зависимость такой деформации от времени называется кривой ползучести. Эта кривая характеризуется (в зависимости от температуры и напряжения) одной, двумя, а иногда и тремя стадиями ползучести (рис. 1).
Первая стадия, на которой после первоначальной мгновенной деформации скорость ползучести со временем падает, называется стадией первичной или неустановившейся ползучести (1 на рис. 1). Вторая стадия (2 на рис. 1) - стадия установившейся, или вторичной ползучести - ее скорость постоянна. Наконец, на третьей стадии (3 на рис. 1) скорость ползучести со временем возрастает. Третья стадия ползучести завершается разрушением [1].
Описанные выше стадии хорошо согласуются с экспериментальными данными в макро- и микрообъе-
мах. Но механические свойства материалов в наношкале (при характерных размерах объекта или элементов его структуры К < 1 мкм) не могут быть выведены путем простой экстраполяции из макро- или микрообласти [2].
В УИЦ «Нанотехнологии и наноматериалы» ГОУ ВПО «Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина» разработана и создана линейка универсальных динамических нанотестеров (УДНТ), предназначенных для проведения исследований физико-механических параметров различных материалов в субмикрообъемах и тонких приповерхностных слоях. УДНТ позволяют реализовывать такие виды испытаний как определение модуля Юнга, нанотвердости, коэффициента трения, ползучести, абразивного износа и др.
Тестирование ползучести осуществлялось на УДНТ-07-2. Для отладки установки предварительно проводилась калибровка прибора. Осуществляли калибровки датчика смещения, силы и жесткости пружин подвеса штока.
Тестирование осуществлялось следующим образом: сначала нагрузка на индентор в течение 15 минут составляла 50 мН, затем увеличили нагрузку до 500 мН и после 2 часов выдержки разгрузили образец до 50 мН.
На рис. 2 представлена зависимость прироста глубины внедрения индентора в образец от времени выдержки под постоянной нагрузкой, величина которой составляла 500 мН.
скорость установившейся ползучести, при этом составил
0.0105.мкм/мин. (0,175-нм/с) (рис. 2).
Ползучесть в наношкале мало изучена (ввиду крайней скудности экспериментальных данных), и выявить доминирующий механизм пока не представляется возможным. В связи с этим, получение новой экспериментальной информации о процессах, происходящих в материалах в условиях ползучести, представляется актуальным.
1. Чадек Й. // Ползучесть металлических материалов: пер. с чешск. М.: Мир, 1987. 304 с.
2. Головин Ю.И. // Наноиндентирование и механические свойства твердых тел в субмикрообъемах, тонких приповерхностных слоях и пленках (обзор) // ФТТ. 2008. Т. 50. Вып. 12.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках Приоритетного национального проекта «Образование» Министерства образования и науки РФ, а также при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 06-02-96316, № 09-02-97541-р_центр-а).
Поступила в редакцию 4 октября 2009 г.
Dmitrievskii A.A., Vasyukov V.M., Sinegubov M.Yu., Shuk-linov A.B., Stolyarov R.A., Isaeva E.Yu., Tikhomirova K.V. Creeping of materials in nanoscale and methods of its diagnostics.
Key words: creeping; creeping testing; creeping in nano-scale.
РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ В ТВЕРДОСТИ В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ Nb
© Ю.И. Головин, М.Г. Исаенкова, О. А. Крымская, В.М. Васюков,
Р.А. Столяров, А.В. Шуклинов, Л.Е. Поляков
Клюжевые слова: размерный эффект при нано-/микроиндентировании; №; теория пластичности; дислокации. Методами индентирования исследован размерный эффект в твердости №. Получены размерные зависимости твердости в диапазоне глубин отпечатка от 20 нм до 70 мкм.
Известно, что при глубоком (на много порядков величины) уменьшении характерных размеров К* объекта или порции вещества хотя бы в одном из трех измерений их свойства перестают быть инвариантными относительно К*. Размерные эффекты (РЭ) - значительные изменения свойств материалов при уменьшении К* - могут носить самый различный характер: растущий, падающий, осциллирующий и др. [1]. В механических свойствах, в частности в твердости, РЭ в разных диапазонах К* могут иметь различную природу, чему отвечает наличие на зависимости Н(И) нескольких участков (здесь Н - твердость, И - глубина отпечатка, характеризующая размеры области локальной пластической деформации) [2].
Цель данной работы заключалась в исследовании РЭ в твердости поликристаллического Nb (средний размер зерен ~ 1 мкм) методами макро-, микро- и на-ноиндентирования в широком диапазоне глубины отпечатка h (а следовательно, объема сдеформированной области) от 20 нм до 70 мкм.
В эксперименте использовали образцы Nb чистотой 99,9 %. Измерение H в макро- и микрошкале проводили на твердомерах Duramin A300 и ПМТ 3М в диапазоне нагрузок на индентор 1. 100 Н и 0,1. 1 H соответственно, а нанотвердости - на наноиндентометре G200 фирмы MTS (США) в диапазоне нагрузок на индентор 0,015.2 Н. Полученные зависимости H(h) были аппроксимированы тремя (химически полированный
Рис. 1. Кривая ползучести. X - разрушение
Рис. 2. Кривая ползучести кремния
Для наглядности рассматривался участок, соответствующий стадии установившейся ползучести. Полученные данные аппроксимировались линейной зависимостью. Коэффициент корреляции при этом составлял ~ 0,96. Тангенс угла наклона прямой, или
Ползучесть металлических материалов
Реферат по теме Ползучесть металлических материалов
Курсовая по теме Ползучесть металлических материалов
ВКР/Диплом по теме Ползучесть металлических материалов
Диссертация по теме Ползучесть металлических материалов
Заработать на знаниях по теме Ползучесть металлических материалов
Пластическая деформация металлов (УЛУЧШЕННОЕ ВИДЕО)Помогите сайту стать лучше, ответьте на несколько вопросов про книгу:
Ползучесть металлических материалов
- Объявление о покупке
- Книги этих же авторов
- Наличие в библиотеках
- Рецензии и отзывы
- Похожие книги
- Наличие в магазинах
- Информация от пользователей
- Книга находится в категориях
Критерий касательного модуля в задаче о выпучивании сжатого стержня. Один из условных критериев, позволяющий найти зависимость критического .
ООО "Научно Технический Центр "Ползучесть"Жаропрочные и жаростойкие стали
Рассмотрены жаропрочные и жаростойкие стали, используемые при повышенных и высоких температурах при действии на металл механических .
санитарный день: последний день месяца
Пн: 08:00-18:00
Вт: 08:00-18:00
Ср: 08:00-18:00
Чт: 08:00-18:00
Пт: 08:00-18:00
Вс: 10:00-16:00
--> --> Амурская область, Благовещенск городской округ, с. Белогорье
Рёлочная, 22
Расположение на карте
санитарный день: последняя пт месяца
Вт: 11:00-19:00
Ср: 11:00-19:00
Чт: 11:00-19:00
Пт: 11:00-19:00
Сб: 11:00-18:00
Вс: 11:00-18:00
--> --> Тамбовская область, Тамбов городской округ, Тамбов, Советский округ
Ивана Франко, 6
Расположение на карте
санитарный день: последний день месяца
Пн: 10:00-18:00
Вт: 10:00-18:00
Ср: 10:00-18:00
Чт: 10:00-18:00
Пт: 10:00-18:00
Сб: 09:00-17:00
--> --> Архангельская область, Архангельск городской округ, Архангельск, Исакогорский округ, Бакарица
Рейдовая, 7
Расположение на карте
зимний период: пн-пт 10:00-18:00; вс 11:00-17:00; санитарный день: последний чт месяца
Пн: 10:00-17:00
Вт: 10:00-17:00
Ср: 10:00-17:00
Чт: 10:00-17:00
Пт: 10:00-17:00
Вс: 11:00-17:00
--> --> Краснодарский край, Новороссийск городской округ, Новороссийск, Восточный район, Мефодиевка
Мефодиевская, 118Б
Расположение на карте
санитарный день: 30 число месяца
Пн: 09:00-18:00
Вт: 09:00-18:00
Ср: 09:00-18:00
Чт: 09:00-18:00
Пт: 09:00-18:00
Сб: 10:00-17:00
Вс: 10:00-17:00
--> --> Новосибирская область, Новосибирск городской округ, Новосибирск, Ленинский район, Юго-западный ж/м
9 Гвардейской Дивизии, 18
Расположение на карте
технический день: последний день месяца
Пн: 10:00-19:00
Вт: 10:00-19:00
Ср: 10:00-19:00
Чт: 10:00-19:00
Пт: 10:00-19:00
Сб: 10:00-17:00
--> --> Санкт-Петербург, Санкт-Петербург, Кронштадтский район, МО "г. Кронштадт"
Гидростроителей, 6 лит А
Расположение на карте
--> --> Кемеровская область, Новокузнецкий городской округ, Новокузнецк, Центральный район
Спартака, 11
Расположение на карте
санитарный день: последний вт месяца; зимний период: летний период: пн-пт 10:00-19:00; сб 10:00-18:00
Пн: 09:00-20:00
Вт: 09:00-20:00
Ср: 09:00-20:00
Чт: 09:00-20:00
Пт: 09:00-18:00
Сб: 10:00-18:00
Вс: 10:00-18:00
санитарный день: последний день месяца
Пн: 11:00-18:00
Вт: 11:00-18:00
Ср: 11:00-18:00
Чт: 11:00-18:00
Пт: 11:00-18:00
Вс: 12:00-18:00
Company Axalit Механические свойства стали, алюминия, чугуна
Диаграмма растяжения стали, алюминия, чугуна. Механические свойства металлов. Область применения алюминия, стали, чугуна. Понятия предела .
ПАМЯТКА ИНЖЕНЕРА Кинетика деформирования и разрушения металловГруппа ЧТПЗ Титан и его сплавы
Рассмотрены область применения, маркировка, механические характеристики титана и сплавов на его основе. Приглашаем вас на бесплатный .
Ползучесть металлических материалов. Аннотация: Решение загадки, которую не смогли решить многие химические коллективы - возможность сворачивания металла в спираль.
Чадек й ползучесть металлических материалов
Проблемы прочности, техногенной безопасности и конструкционного материаловедения Махутов Н.А., Матвиенко Ю.Г., Романов А.Н. (Институт машиноведения им.А.А.Благонравова РАН) (Ред.). Твердый переплет
Механика деформируемого твердого тела: Современные концепции, ошибки и парадоксы Изд. 2 Пановко Я.Г. Мягкая обложка
Эволюционная теория жизненного цикла механических систем: Теория сооружений Васильков Г.В. Твердый переплет
Фундаментальная строительная механика упругих систем: Теория, практика, примеры. Научно-практическое пособие для инженеров, проектировщиков и научных работников Изд. 2, стереот. Лещенко А.П. Твердый переплет
История науки о сопротивлении материалов: С краткими сведениями из истории теории упругости и теории сооружений. Пер. с англ. Изд. стереот. Тимошенко С.П. Мягкая обложка
Деформирование. Разрушение. Надежность: Задачи деформирования и разрушения стали. Методы оценки прочности энергетического оборудования и трубопроводов Изд. стереотип. Хажинский Г.М. Твердый переплет
Механика разрушения: От теории к практике. [Механику разрушения — всем: доступное популярное изложение] Изд. стереотип. Партон В.З. Мягкая обложка
Механика упругопластического разрушения: Специальные задачи механики разрушения Изд. 4 Партон В.З., Морозов Е.М. Мягкая обложка
Локальные нагрузки в пластинах и оболочках: Пер. с англ. и польск. Лукасевич С. Твердый переплет Букинист. Состояние: 4+ . Есть погашенная библиотечная печать.
Геометрически и физически нелинейная механика сплошной среды: Плоская задача Изд. стереотип. Бакушев С.В. Мягкая обложка
Статический расчет тонкостенных пространственных конструкций Изд. стереотип. Рекач В.Г. Мягкая обложка
Университетский учебник для студентов физико-математических специальностей. Может быть полезен для факультетов и вузов с расширенной математической подготовкой, а также специалистам в области математики и ее приложений. (Подробнее)
Данный сборник задач может использоваться как приложение к конспекту «Введение в математику» Алексея Савватеева, а также как самостоятельный практикум для изучения основ математики. Нумерация глав-уроков в сборнике соответствует урокам онлайн-курса, подготовленного. (Подробнее)
Один из самых влиятельных и богатых людей планеты Рэй Далио исследует империи прошлого, выявляет закономерности взлетов и падений ведущих мировых экономик, делает выводы относительно нашего настоящего и будущего и дает ответ на вопрос, почему грядущие времена будут радикально отличаться от тех, которые. (Подробнее)
Бог создал целые числа» — сборник математических трудов великих ученых — от Евклида и Ньютона до Гёделя и Тьюринга, — который позволяет проследить 25-вековую историю научных прорывов.
Каждая работа, представленная в книге, предваряется биографическим очерком о ее авторе, написанным английским. (Подробнее)
Чтобы узнать будущее, нужно заглянуть в прошлое. Всеобъемлющее исследование множества мировых кризисов - общие признаки, примеры кризисов различных стран - учит улавливать негативные тренды. Основано на материалах компании Bridgewater. (Подробнее)
«Черные тетради» — так назвал Мартин Хайдеггер (1889–1976) клеенчатые тетради черного цвета с заметками и размышлениями разного рода, которые он вел с 1931 года. Набралось их тридцать четыре. Согласно воле автора, франкфуртское издательство Витторио Клостерманна приступило к их публикации. (Подробнее)
“Хаос. Создание новой науки” — мировой бестселлер американского журналиста Джеймса Глика, переведенный более чем на два десятка языков, в котором он рассказывает историю возникновения науки о хаосе. Начав со случайного открытия метеоролога Эдварда Лоренца, пытавшегося создать модель долгосрочного. (Подробнее)
Книга Джозефа Конлона представляет читателю захватывающую панораму передовых исследований в теории струн — области теоретической физики, в корне меняющей наши представления об устройстве мира, в котором мы живем.
Любознательному читателю, который хочет понять суть теории струн, нужен. (Подробнее)
Настоящий альбом содержит графические и живописные работы выдающегося математика, академика РАН А.Т.Фоменко. Его произведения многократно участвовали в российских и международных выставках, проходивших как во многих городах России, так и за рубежом, и выставлялись в известных художественных. (Подробнее)
Валлерстайн И., Амин Самир, Джордж С., Петропавловский Ю., Дерлугьян Г., Робинсон В., Соммерс Дж., Энгдаль У.
Вниманию читеталя предлагается сборник статей именитых политологов, социологов и экономистов из разных стран мира. Их объединяет одно – все они являются экспертами инициативы «Постглобализация», многие в рамках проекта выступали с лекциями, были участниками Контр Саммита G-20, который проходил. (Подробнее)
Для получения полной информации о книгах
нужно указать страну доставки
Вашего возможного заказа:
Проблема охрупчивания в механике материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»
ОХРУПЧИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ / ТЕПЛОВАЯ И РАДИАЦИОННАЯ ХРУПКОСТЬ / ЗЕРНОГРА-НИЧНАЯ ПОРИСТОСТЬ / РАДИАЦИОННОЕ РАСПУХАНИЕ / ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ / ОТНОСИТЕЛЬНОЕ УДЛИНЕНИЕ И ОТНОСИТЕЛЬНОЕ СУЖЕНИЕ ПОСЛЕ РАЗРЫВА / ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ / СЖИМАЕМЫЙ МАТЕРИАЛ / EMBRITTLEMENT OF METALLIC MATHERIALS / RELATIVE DEFORMATION / RELATIVE CHANGES OF CROSS SECTION AREA
Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Арутюнян Р. А.
В механике материалов наметились два направления экспериментальных исследований эффекта охрупчивания. Работы по первому направлению относятся к оценке «хрупкости» в испытаниях на ударное нагружение путем определения количества поглощенной энергии при разрушении образца с трещиной, а также опытах по изучению вязкости разрушения. Недостатки этих методов широко обсуждаются в научной литературе. Второе направление является традиционным, когда изучается степень охрупчивания материалов в опытах над сплошными образцами. В этом случае в качестве характеристик охрупчивания используются остаточное относительное удлинение или остаточное относительное сужение после разрыва. Как следует из наших представлений, традиционное определение этих параметров не является вполне корректным, соответственно, не может характеризовать реальную степень охруп-чивания. Для более точного описания этого явления, в работе предложено соответствующее физико-механическое определение параметра охрупчивания.
Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Арутюнян Р. А.
Модели и методы, используемые при расчете и моделировании поведения конструкций, подвергающихся воздействию радиационных сред
The embrittlement problem in material science
In material science two lines of experimental investigations of embrittlement of metallic materials are outlined. The works of the first line deal with the estimation of «brittleness» in dynamic loadings through the definition of absorbed energy when the specimen with a crack is fractured and the experiments in which the fracture toughness, the resistance of material to fast crack propagation, is studied. The disadvantages of these methods are widely discussed in scientific literature. The second line is rather traditional, when the material embrittlement is studied in compact specimens. In this case the value of relative deformation and the value of relative changes of cross section area of a specimen at a fracture are used as the embrittlement characteristics. As follows from our considerations, the traditional definition of these parameters accepted in the strength of materials textbooks and in numerous publications is not quite correct, so they can't describe the real degree of material embrittlement. To improve the situation we introduce a new definition of embrittlement parameters based on the mechanical and physical considerations.
Текст научной работы на тему «Проблема охрупчивания в механике материалов»
ПРОБЛЕМА ОХРУПЧИВАНИЯ В МЕХАНИКЕ МАТЕРИАЛОВ*
С.-Петербургский государственный университет, д-р физ.-мат. наук, ведущий научн. сотрудник,
Под воздействием различных физических полей (температурных, силовых, радиационных и др.) наблюдается эффект охрупчивания конструкционных материалов. При этом возможно возникновение опасных хрупких разрушений с катастрофическими последствиями, в частности, в конструкциях ответственных энергетических объектов. В связи с этими обстоятельствами проблема охрупчивания занимает особое положение в механике материалов, поэтому ее изучению посвящены многочисленные работы. Остановимся вкратце на основных проявлениях и этапах исследований этой проблемы.
Эффект тепловой хрупкости был открыт в 1936 г. [1]. Было установлено, что в процессе длительной эксплуатации энергетического оборудования при высоких температурах в нагруженном или ненагруженном состоянии многие сорта стали и сплавов утрачивают свою пластичность и охрупчиваются. В результате, например, некоторые жаропрочные материалы разрушаются при длительных испытаниях с удлинением около одного процента. В общем случае для большинства видов стали можно отметить тенденцию к снижению остаточного удлинения и поперечного сужения при увеличении времени до разрыва. До середины двадцатого века преобладало мнение, что эффект тепловой хрупкости связан с технологическими факторами. Однако, когда этот эффект был обнаружен на чистых металлах, например, чистой меди [2] в условиях высокотемпературной ползучести, стало ясно, что это явление связано с физическими процессами накопления пористости по границам зерен, по механизму диффузии вакансий к границам зерен и зернограничного проскальзывания.
Известно, что проблема охрупчивания и хрупкого разрушения является одной из основных и в условиях циклических нагружений, в особенности, в области многоцикловой усталости 3.
Эффекты деформационного разрыхления и охрупчивания как чистых, так и кон-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №06-01-00202).
© Р. А. Арутюнян, 2009
струкционных металлов и сплавов в условиях высокотемпературной ползучести исследованы довольно подробно 5. Опубликованы многочисленные статьи по экспериментальному изучению этих эффектов и предложены различные физико-механические модели для их описания.
В мировой литературе накоплена также значительная информация по изучению изменений механических и физических характеристик металлов и сплавов в процессе радиационного облучения (воздействия высоких и умеренных температур и высокоинтенсивных потоков частиц и электромагнитных излучений) 7. При этом наблюдаются следующие явления: радиационно-стимулированная диффузия, радиационный распад твердых растворов, высокотемпературное гелиевое охрупчивание, радиационное распухание, ползучесть при относительно низких температурах, увеличение критической температуры перехода из хрупкого состояния в вязкое. При относительно низких напряжениях и температурах, когда ползучесть, обусловленная термической активацией, практически отсутствует, процесс ползучести контролируется радиационными эффектами, в частности, радиационным распуханием, величина которого значительна. Например, при соответствующих дозах облучения и рабочих температурах 300 — 700°С радиационное распухание аустенитных, хромоникелевых нержавеющих сталей и сплавов, являющихся основными конструкционными материалами активных зон атомных энергетических установок, может достигать величины 10-30%. В результате ядерных реакций в материалах образуются газообразные примеси (гелий, водород), приводящие к гелиевому охрупчиванию, водородной хрупкости, газовому распуханию.
Как показывают опыты [7], при высоких дозах облучения, превышающих 1023 • см-2 наблюдается полная потеря пластичности и переход материала в чисто хрупкое состояние, что соответствует потере работоспособности и возможному возникновению хрупких разрушений. Эти эффекты наблюдаются как в чистых ГЦК- и ОЦК-металлах, так и в конструкционных сплавах аустенитного и ферритного классов, высоконикелиевых сплавах, используемых в атомной энергетике. Радиационное облучение способствует возникновению значительного числа дополнительных вакансий, усилению процессов разрыхления. В совокупности эти процессы способствую усилению процессов диффузии вакансий к границам зерен и ускорению эффекта охрупчивания. Дополнительный вклад в процессы охрупчивания вносят и физико-химические процессы старения (изменения фазового состава), скорость протекания которых существенно возрастает в условиях радиационного облучения. При этом следует учитывать, что жаропрочные металлические материалы метастабильны, так как в процессе старения или деформационного старения они претерпевают распад с образованием вторичных карбидных и интерметаллидных фаз. В связи с этим темп снижения пластических свойств во времени и в зависимости от температуры, а также предельные значения пластичности, определяются структурными изменениями.
В механике материалов наметились два направления экспериментальных исследований по изучению степени охрупчивания металлических материалов. Работы по первому направлению относятся к оценке «хрупкости» в условиях ударного нагружения путем определения количества поглощенной энергии при разрушении образца с трещиной методами Шарпи, Изода и др. [11], а также опыты по изучению вязкости разрушения [12]. Второе направление является традиционным, когда изучается степень охрупчивания сплошных образцов. Основные положения этого направления рассматриваются в курсах сопротивления материалов 14, в монографиях и многочисленных методических публикациях, где для оценки пластических свойств металлов используются традиционно две характеристики: остаточное относительное удлинение после разры-
ва в* и относительное сужение после разрыва ф*, которые определяются следующими соотношениями:
где 1о, Fo —начальные, 1*, ^* —предельные длина и площадь поперечного сечения образца соответственно.
Как будет показана далее, эти характеристики охрупчивания нельзя считать независимыми. Для несжимаемых материалов они совпадают. В общем же случае зависимость между этими величинами связана с величиной текущего коэффициента поперечной деформации.
При развитых продольных деформациях (выше 20%) вместо (1) следует оперировать логарифмической деформацией
Далее, при исследовании деформационных характеристик с помощью параметра будем исходить из физико-механического определения этого параметра. Пусть р0, V) — начальные, р, V — текущие плотность и объем растягиваемого цилиндрического образца. Согласно закону сохранения массы р0^ = рV. Обозначим ву = V/Vo — 1, тогда
р/р0 = 1 + в у. Логарифмируя это соотношение и рассматривая случай малых объем-
ных деформаций, получим
где вх, ву, — компоненты деформаций, V = — ву/вх = —/вх — текущий коэффициент
Для момента разрушения, когда ех = в*, р = р*, V = V*, соотношение (4) можно записать в виде
Таким образом, с помощью формулы (5) раскрывается физико-механическое содержание величины предельной деформации в*, состоящее в том, что эта величина зависит от относительного изменения плотности и текущего коэффициента поперечной деформации. Следовательно, для корректного определения в* из опытов следует проводить довольно тонкие эксперименты по необратимому измерению величины плотности, поперечных и продольных деформаций и строить соответствующие экспериментальные зависимости. Учитывая эти результаты в соотношении (5), можно оценить величину предельной деформации разрушения.
Согласно принятой методике 14, величина в* определяется следующим образом. Перед испытанием на поверхность образца наносятся риски в пределах рабочей длины, которая обычно выбирается равной 10 = 10^0 (^0 — начальный диаметр образца). После разрыва обе части образца составляются по сечению разрыва, замеряется его длина и диаметр. Однако эти величины не могут считаться реальными характеристиками деформационных свойств материала, так как деформации с максимумом в
точке разрыва распределены по рабочей длине образца неравномерно. Таким образом, в результате такого опыта определяются свойство деформативности образца, как некоторой сложной системы, а не деформационные характеристики самого материала. По этой причине величина относительного удлинения после разрыва в значительной степени зависит от формы образца, главным образом, от отношения длины к площади поперечного сечения [13]. Кроме того, при рассмотрении деформационных характеристик материалов обычно принимают предположение о несжимаемости, т. е. считают V* = 1/2 и р* = ро. При таком предположении числитель и знаменатель формулы (5) стремятся к нулю, и для деформации получаем соотношения неопределенности. Преодолеть эту неопределенность можно, если известен характер стремления к нулю каждой из функций 1п(р/ро) и V. Такая информация может быть получена из экспериментального определения соответствующих закономерностей и их описания аналитическими зависимостями. Необходимость такого рассмотрения можно продемонстрировать с помощью следующих примеров. Пусть V* = 1/2 и р* = ро. В этом случае, даже при условии ро — р* ^ 1, из формулы (5) следует е* ^ то. Если считать V* = 1/2, а р* = ро, тогда из (1) имеем е* = 0.
Рассмотрим далее соотношение, которому должна удовлетворять деформационная характеристика 0*, определяемая соотношением (2). С этой целью воспользуемся следующими геометрическими зависимостями для растягиваемого цилиндрического образца [15]:
До ( I V *о ( I х2"
где До — начальный, Д — текущий радиус поперечного сечения образца. Сравнивая эти формулы и рассматривая момент разрушения, получим
Внося величину 0* из (2) в (6), приходим к
При условии V* = 1/2 из (7) следует
Таким образом, согласно условию (9) деформационные характеристики е*, 0* совпадают для несжимаемого материала. В общем же случае зависимость между этими величинами, согласно (7) и (8), связана с изменениями текущего коэффициента поперечной деформации.
В заключение отметим, что для реальной оценки деформационной характеристики материалов с помощью параметра 0* следует исходить из определения этого параметра с помощью соотношения (8). Использование же зависимости (2) для экспериментальной оценки деформационной характеристики материалов следует считать не совсем корректным.
1. Борздыка А. М. Методы горячих механических испытаний металлов. М.: Металлургиз-дат, 1955. 352 с.
2. Чадек Й. Ползучесть металлических материалов. М.: Мир, 1987. 304 с.
3. Трощенко В. Т. Прочность металлов при переменных нагрузках. Киев: Наукова думка, 1978. 175 с.
4. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.
5. Станюкович А. В. Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов. М.: Металлургия, 1967. 200 с.
6. Belloni G., Bernasconi G., Piatti G. Creep damage and rupture in AISI310 austenitic steel // Meccanica. 1979. Vol. 12. N2. P. 84-96.
7. Иванов Л. И., Платов Ю. М. Радиационная физика металлов и ее приложения. М.: Интерконтинент. Наука, 2002. 300 с.
8. Охрупчивание сталей для реакторных корпусов под давлением при нейтронном облучении. Вып. 1. М.: Атомиздат, 1976. 47 с.
9. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов / Под ред. Брайента К. Л., Бенер-джи С. К. М.: Металлургия, 1988. 552 с.
10. Odette G. R., Lucas G. E. Neutron irradiation embrittlement of light water reactor pressure vessel steels // Trans. Amer. Nucl. Soc. 1989. Vol. 60. P. 285-286.
11. Тимошук Л. Т. Механические испытания металлов. М.: Металлургия, 1971. 224 с.
12. Броек Д. Основы механики разрушения. М.: Высшая школа, 1980. 368 с.
13. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1979. 560 с.
14. Беляев М.Н. Сопротивление материалов М.: Наука, 1976. 608 с.
15. Арутюнян Р. А. Проблема деформационного старения и длительного разрушения в механике материалов. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2004. 252 с.
Размерный эффект в твердости в поликристаллическом Nb Текст научной статьи по специальности «Химические науки»
Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Головин Юрий Иванович, Исаенкова Маргарита Геннадьевна, Крымская Ольга Александровна, Васюков Владимир Михайлович, Столяров Роман Александрович
Методами индентирования исследован размерный эффект в твердости Nb . Получены размерные зависимости твердости в диапазоне глубин отпечатка от 20 нм до 70 мкм. БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнялась при поддержке Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (проект № 2643) и грантов «Carl Zeiss» и Российского фонда фундаментальных исследований № 07-02-00906а.
Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Головин Юрий Иванович, Исаенкова Маргарита Геннадьевна, Крымская Ольга Александровна, Васюков Владимир Михайлович, Столяров Роман Александрович
Механические свойства углеродистой стали Ст3, облученной ионами аргона с различными плотностями ионного тока
Исследование прочностных свойств отдельных фаз и межфазных границ сложных многофазных материалов на примере горных пород
Dimensional effect in hardness in polycrystalline Nb
Using the methods of indentation dimensional effect in hardness Nb is investigated. Dimensional dependences of hardness in a range of depths of a print from 20 nm to 70 mcm are received.
Текст научной работы на тему «Размерный эффект в твердости в поликристаллическом Nb»
скорость установившейся ползучести, при этом составил
Ключевые слова: размерный эффект при нано-/микроиндентировании; Nb; теория пластичности; дислокации. Методами индентирования исследован размерный эффект в твердости Nb. Получены размерные зависимости твердости в диапазоне глубин отпечатка от 20 нм до 70 мкм.
Известно, что при глубоком (на много порядков величины) уменьшении характерных размеров R* объекта или порции вещества хотя бы в одном из трех измерений их свойства перестают быть инвариантными относительно R*. Размерные эффекты (РЭ) - значительные изменения свойств материалов при уменьшении R* - могут носить самый различный характер: растущий, падающий, осциллирующий и др. [1]. В механических свойствах, в частности в твердости, РЭ в разных диапазонах R* могут иметь различную природу, чему отвечает наличие на зависимости H(h) нескольких участков (здесь H - твердость, h - глубина отпечатка, характеризующая размеры области локальной пластической деформации) [2].
10« 301) 1000 3000 10000 30000 100000
Рис. 1. Размерные зависимости твердости в двух образцах поликристаллического М (средний размер зерен ~ 1 мкм). 1 - химически полированная поверхность, 2 - механически полированная поверхность. H0 - макротвердость
образец) и двумя (механически полированный образец) линейными участками (рис. 1). Каждая точка на графике является усреднением 10 отдельных значений в области h > 3000 нм и 20.30 - в области
30 нм ^ h ^3 мкм. При разных нагрузках и размерах отпечатка РЭ очевидно обусловлены различными причинами. В макрообласти I, где h > 3000 нм, РЭ в твердости отсутствовал (H = const). Этот результат не зависел от способа полировки образца. Согласно [3], размерные эффекты при индентировании возникают в случае, когда характерные размеры области деформации (например, диаметр образца, толщина пленки, глубина отпечатка
и т. п.) становятся меньше некоторой характерной длины l ~ 1.10 мкм. Она определяется взаимодействием дислокаций в скоплениях и с границами зерен [4]. В области II (30 нм ^ h € 3 мкм) выявлен рост Н при уменьшении h для образцов. Коэффициент наклона k зависимости lg H = fig h) был существенно меньше, чем в соотношении Холла-Петча (k = 0,5) и зависел от вида полировки (рис. 1). Большая твердость механически полированного образца и больший наклон (k = = - 0,382 против k = - 0,213 в химически полированном образце) обусловлены наклепом приповерхностного слоя. Такой ход зависимостей H(h) может быть следствием зарождения геометрически необходимых дислокаций в условиях роста градиента деформации при уменьшении h [5]. Падение H при h < 30 нм (область III, k = 0,44) наблюдалось только для образца, подготовленного методом химической полировки. Оно может быть вызвано активизацией недислокационных механизмов пластичности, реализующихся через процессы зарождения и движения неравновесных точечных дефектов тем более эффективные, чем меньше h [6]. Альтернативой может быть образование нанокри-сталлической структуры под индентором в результате сильной локальной деформации с последующим проскальзыванием и поворотом зерен [7], которые в литературе предлагается описывать на основе диффузионно-дислокационных [8] и дислокационно-дисклинаци-онных моделей [9]. Они также предсказывают падение напряжений пластической деформации по мере уменьшения характерных размеров структуры.
Таким образом, в работе выявлена немонотонная зависимость твердости Nb в диапазоне характерных размеров от десятков нанометров до 70 мкм и установлены границы размерных эффектов разного типа.
1. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение,
2. Manika I.,Maniks J. Size effects in micro- and nanoscale Indentation // Acta Mater. V. 54. P. 2049-2056.
3. Nix W.D., Gao H. Indentation size effects in crystalline materials: a law for strain gradient plasticity // J. Mech. Phys. Solids. 1998. V. 46. № 3. P. 411-425.
4. Конева Н.А., Козлов Э.В. Структура и механические свойства нанополикристаллов // Перспективные материалы. Т. 3. С. 55-140.
5. Fleck N.A., Hatchinson J.W. A phenomenological theory for strain gradient effects in plasticity // J. Mech. Phys. Solids. 1993. V. 41. P. 1825-1857.
6. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. 312 с.
7. Андриевский Р.А., Глезер А.М. Прочность наноструктур // УФН.
2009. Т. 179. № 4. С. 337-358.
8. Колобов Ю.Р. Диффузионно контролируемые процессы на границах зерен и пластичность металлических поликристаллов. Новосибирск: Наука. СО РАН, 1998. 184 с.
9. Romanov A.E., Kolesnikova A.L., Ovid’ko I.A., Aifantis E.C. Disclina-tion in nanocrystalline materials: Manifestation of the relay mechanism // Materials Scince & Engineering. 2009. V. A503. P. 62-67.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнялась при поддержке Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (проект № 2643) и грантов «Carl Zeiss» и Российского фонда фундаментальных исследований № 07-02-00906а.
Golovin Yu.I., Isaenkova M.G., Krymskaya O.A., Vasyu-kov V.M., Stolyarov R.A., Shuklinov A.V., Polyakov L.E. Dimensional effect in hardness in polycrystalline Nb.
Key words: dimensional effect at nano-/micro-indentation, Nb, theory of plasticity, disposition.
Читайте также: