С приближением к поверхности кристалла его решётка изменяется; обычно нарастает период решётки и амплитуда колебаний атомов, особенно в направлении, перпендикулярном к поверхности раздела. При низких температурах, как известно, нарастание числа искажений, дефектов решётки (до определенного предела) приводит сначала к упрочнению металла. Так действуют ковка, радиационные повреждения, внедрение инородных атомов и др. Естественно, что в этом же направлении, к упрочнению, изменяет механические свойства металла и действие близлежащих поверхностей раздела. При высоких температурах как нарастание дефектности, так и приближение к поверхности приводят к размягчению материала. Это можно пояснить также с помощью диаграммы (см. рис. 4.11): измельчение зерна поликристалла выше точки стеклования приводит в пределе в область жидкости, а ниже Тст - в область прочного стекла. Согласно [169], выше температуры 0,4Тпл приповерхностные слои оказываются более мягкими, а ниже - упрочненными по сравнению с объемом. Действительно, тонкие нити, проволочки, фольга и др. при толщине порядка 10 мкм проявляют прочность, на порядок или даже на два-три порядка величины больше прочности массивных образцов. Это широко известное явление, которое называют обычно масштабным фактором прочности. В рамках традиционной молекулярной модели вещества, оперируя одними лишь близкодействиями, невозможно построить адекватную молекулярную модель этого явления. Известны различные истолкования, предназначающиеся обычно для определённых веществ и образцов определённого вида. Имеются дислокационные и статистические теории [170],объясняющие высокую прочность малых образцов, и т.д. Широко обсуждалась прочность микроскопических "усов" ряда металлов, которые при толщине в несколько микрон имеют прочность на 1-2 порядка величины выше по сравнению с массивными поликристаллическими образцами. Обычно это объясняли тем, что тонкие усы имеют бездефектную почти идеальную решётку или решетку с одной лишь винтовой дислокацией по оси. Здесь сказывается общее представление о том, что прочность есть следствие дальнего порядка, и при идеальном упорядочении была бы достигнута наибольшая (теоретическая) прочность; при разрушении перегруппировки атомов вообще отсутствуют, и одна часть образца смещается как целое относительно другой или отрывается от другой. С точки зрения предлагаемой модели правильность решётки сама по себе , при данном уровне сил Fст , не повышает прочность; высокая прочность усов есть проявление масштабного фактора. К настоящему времени освоено получение очень тонкой стальной проволоки, по толщине приближающейся к усам; её прочность также приближается к прочности усов и достигает величин порядка 1000 кгс/мм2. С другой стороны, тонкие нити стекла достигают прочности, даже превышающей прочность усов, до 1500 кгс/мм2 у нитей SiO2 [10]; повышение прочности с уменьшением толщины наблюдается, следовательно, и при весьма неправильной кристаллической структуре, и при полном отсутствии дальнего порядка; эффект не связан с очень правильной бездефектной решеткой. К настоящему времени накоплено много данных о том, что большие монокристаллы с наиболее правильной и бездефектной решёткой являются очень мягкими; их предел текучести обычно меньше 1 кгс/мм2 [171]. Это также не позволяет объяснить прочность усов бездефектностью их решётки. Из рис. 5.1 видно, что кривые повышения прочности с уменьшением толщины нитей, проволочек, усов, а также толщины фольги, имеют такой же вид, как и кривые повышения вязкости жидкости с уменьшением толщины плёнки, причём характерным размером для всех таких зависимостей является величина коллоидного параметра L (100-101) мкм. Очевидно, это явления одной природы и обусловлены одними эффектами - Fст.
Рис. 5.1. Эффекты дальнодействия межфазных поверхностей раздела: (1, 2) - зависимость модуля сдвига и вязкости жидкой плёнки в зависимости от её толщины [103]; 3 - вязкость водных плёнок [105]; 4- вязкость силикатного клея в зависимости от толщины водных плёнок между мицеллами [120] ; 5,6 - прочность тонких стальных проволочек и стеклянных нитей [33], 7- дисперсное упрочнение стали включениями [173] ; 8 - кривая упрочнения чугуна при измельчении зерна[169]. Все кривые имеют качественно одинаковый вид и отражают, очевидно, дальнодействие структурных "взаимодействий" на расстояниях порядка коллоидного параметра (100-101мкм)
Удельная прочность твёрдых тел повышена примерно на 2 порядка величины около поверхности по сравнению с объёмом; упрочнение спадает с удалением от поверхности примерно так же, как вязкость в плёнке жидкости, причем коллоидный параметр в твердом состоянии примерно на порядок величины больше, L 10 мкм. Такое околоповерхностное упрочнение характерно для всех образцов, но у тонких нитей оно заметно увеличивает и общую прочность.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «МАСШТАБНЫЙ ФАКТОР ПРОЧНОСТИ» з дисципліни «Про кризу кінетичної теорії рідини і затвердіння»
