Влияние различных уровней структуры веществ и материалов на их свойства

В современных условиях большое значение имеет разработка новых подходов в регулировании структуры материалов и, как следствие, приобретении ими комплекса новых свойств, необходимых для практического использования в современных изделиях и конструкциях.

При этом конечные свойства материала определяются совокупным вкладом каждого из рассмотренных выше уровней или подуровней их структурной организации (таблица 2.1). В результате, в общем виде любое свойство (физическое, механическое, химическое и т.д.) металлического и неметаллического материала может быть определено как совокупность вклада в него всех имеющихся уровней в соответствие со следующей формулой [194-196]:

где CM - свойство материала; CMj - свойство материала, которое определяется соответствующим (i-м) структурным уровнем; к; - коэффициент, учитывающий вклад данного уровня структуры материала в его соответствующее свойство; п- число уровней структуры материала, где первым (базовым) является электронно-ядерный (химический) уровень.

При этом для многих свойств, как правило, можно указать уровень структурной организации материала, вклад которого в определенное свойство является доминирующим. Например, электронно-ядерная структура является определяющей для таких свойств и характеристик металлов, как пластичность (соответствующая самодиффузионному и диффузионному механизму), старение, жесткость (характеризуемая модулем Юнга), электрическая проводимость, коррозионная стойкость; наноструктура определяет краудионную и дислокационную пластичность. В то же время магнитные свойства определяются элементами структуры (доменами), размер которых соответствует нано- и мезо- структуре, а хрупкость- элементами нано-, мезо- (дислокации и их ансамбли) и макроструктуры (трещины). Исследования поверхности разрушения (фрактография) указывают на то, что трещина хрупкого разрушения в металлах и сплавах распространяется вдоль простых кристаллографических плоскостей (скола) либо по границам зёрен. Для полимерных материалов также можно провести подобные корреляции. В частности, старение, вызванное деструкцией и сшивкой макромолекул, определяется характеристиками электронно-ядерной структуры. В свою очередь межмолекулярные связи, относящиеся к молекулярной структуре (отсутствующей в металлах), влияют на большинство физических и механических свойств полимеров, в частности, температуру стеклования, размягчения и плавления, растворимость, поверхностные свойства, совместимость, вязкость расплавов, кристалличность, прочность, текучесть, ит.д. Известно также [147, 171, 173, 197-200], что многие важные с эксплуатационной точки зрения характеристики полимеров (такие как предел текучести и предел прочности) определяется элементами надмолекулярной структуры, образующими нано-, мезо- и макроструктуру. Связь структуры и некоторых свойств металлических и полимерных веществ и материалов [201-205] приведена в таблице 2.2.

Таблица 2.2а

Классификация основных уровней структурной организации металлических веществ и материалов, и

некоторые их свойства

Уровни структуры и их размерный интервал

Структурные элементы в металлах

Соответствующие свойства

1. Микроструктура:

Атомные остовы и обобществленные электроны, которые осуществляют химическую связь (преимущественно металлическую в металлах и преимущественно ковалентную в полимерах); точечные дефекты: вакансии и т.д. (0,0001-0,0005 мкм)

Пластичность (самодиффузионная и диффузионная; вследствие протекания фазового превращения- может быть обратима («эффект памяти» формы)), старение, диффузия, жесткость (характеризуемая модулем Юнга), электрическая проводимость, коррозия.

тонкая

1а) электронно-ядерная; ~1 - 5 А (1-5-10'"’м)

16) молекулярная; -5 — 10 А (0,5-1-10‘9 м)

Первичные «агрегаты» атомных остовов

1в) наноструктура; -10-10 000 А (10'9-10'6 м)

Наночастицы (0,001-0,1 мкм) и поверхности раздела; фрагменты, блоки, полигоны (0,1-1 мкм) и область когерентного рассеивания (0,001-0,01 мкм); линейные дефекты: дислокации и дисклинации (0,1-1 мкм)

Пластичность (краудионная и дислокационная), хрупкость, магнитные свойства (размер доменов)

2. Мезоструктура

~1047А

(Ю'б-10'3 м)

Субзерна (1-100 мкм) и субграницы; зерна (100-1000 мкм) и границы между ними; поверхностные дефекты (дислокационные ансамбли)

Пластичность (высокотемпературная деформация поликристаллов — перемещение зёрен друг относительно друга по границам зёрен), хрупкость, магнитные свойства (размер доменов).

3. Макроструктура

~107-109А(10'3-10'' м)

Структуры, образованные зернами (волокна, дендриты и т.д.) и поверхность раздела; объемные дефекты (усадочные раковины, поры, трещины и т.д.)

Хрупкость.

Таблица 2.26

Классификация основных уровней структурной организации полимерных веществ и материалов, и

некоторые их свойства

Уровни структуры и их размерный интервал

Структурные элементы в полимерах

Соответствующие свойства

1. Микроструктура:

Атомные остовы и обобществленные электроны, которые осуществляют химическую связь (преимущественно металлическую в металлах и преимущественно ковалентную в полимерах); точечные дефекты: вакансии и т.д. (0,0001- 0,0005 мкм)

Старение: деструкция и сшивка макромолекул.

о

н

к

a

я

la) электронно-ядерная; -1 - 5 А (1-5-Ю"|0м)

16) молекулярная; -5 - 10 А (0,5-1-10* м)

Фрагменты макромолекул (атомные группировки) и единичные межзвенные (ван-дер- ваальсовые (ВДВ) и водородные) связи (0,0005- 0,001 мкм)

Температура стеклования, размягчения и плавления, растворимость, летучесть, поверхностные свойства, совместимость, вязкость расплавов, кристалличность, прочность, текучесть.

  • 1в) наноструктура; -10- 10 000 А
  • (ЮМО-'м)

Макро(олиго-)молекулы, внутри- и межмолекулярное ВДВ или водородное взаимодействие; НМС*: наночастицы и поверхности раздела; кристаллиты, ламели и границы раздела; линейные дефекты

Предел текучести, предел прочности, а- релаксационный переход.

2. Мезоструктура

~1047А

(ЮМО-'м)

НМС: небольшие аксиалиты, эдриты и сфероли- ты диаметром до нескольких десятков мкм; поверхностные и небольшие объемные дефекты (поры и т.д.)

Предел текучести, предел прочности.

  • 3. Макроструктура
  • -107-109A(10’3-10‘m)

НМС: крупные надмолекулярные образования в виде крупных аксиалитов, эдритов и сферолитов (от нескольких десятков мкм и выше); крупные объемные дефекты (трещины и т.д.)

Предел текучести, предел прочности.

Примечание: *НМС - надмолекулярные структуры в полимерных материалах.

Примером связи между уровнями структуры и соответствующими им свойствами могут также служить, например, методы испытаний на твердость. «В зависимости от характерного размера отпечатка при внедрении индентора существующие методы испытаний на твердость условно можно подразделить на нано-, мезо- и макроиндентирование (таблица 2.3). По широте применения в технике на первом месте находится метод макроиндентирования. Он используется для массового контроля качества машиностроительной продукции. Метод микроин- дентирования в основном применяется в исследовательских целях при измерении твердости тонких слоев материалов и отдельных структурных составляющих. Метод наноиндентирования имеет большие перспективы в разработке новых нанотехнологий и конструировании новых материалов» [206, С. 14-15].

Масштабные уровни испытаний на твердость

Таблица 2.3

Масштабный уровень испытаний

Вид индентирования (твердости)

Остаточная глубина отпечатка, царапины, мкм

Наноуровень

Наноиндентирование

(нанотвердость)

Менее 1

Мезоуровень

Мезоиндентирование (мезо-, микротвердость)

1-10

Макроуровень

Макроиндентирование

(макротвердость)

Свыше 10

Примером начала решения задач регулирования структуры и свойств материалов на тонком уровне является получение наноматериалов, разработка процессов «молекулярного наслаивания», «золь- гель» технологий и т.д.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >