Файл: Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами..pdf

Рис. 8. Схемы приборов для определе­ ния прочностных свойств нитевидных кристаллов

а — электромагнитное нагружение: б, в — нагружение силой тяжести; г — нагруже­

6 — регистрирующий прибор; 7 — нить;

1) статическое на растяжение; 2) статическое на изгиб; 3) ста­ тическое на кручение; 4) на длительную прочность и ползучесть;

5)на усталость.

Механические свойства нитевидных кристаллов при растяжении.

При определении механических свойств нитевидных кристаллов вообще и при растяжении, в частности, возникает ряд трудностей, связанных с малыми размерами объекта. Во-первых, большой труд­ ностью является прежде всего манипулирование с этими тонкими и весьма деликатными объектами: отделение нитевидных кристал­ лов от основной массы, монтаж под микроскопом кристалла на од­ ном из захватов машины; приклейка второго конца уса и, наконец, иногда операция по устранению возможного «перекоса» уса. Вовторых, испытание тонких нитевидных кристаллов на растя кение требует применения машин с малыми нагрузками, передвижения одного из захватов в трех направлениях, плавного нагружения, специального измерения деформации усов. В-третьих, нелегко

машин, пригодных для испытания нитевидных кристаллов.

На рис. 8 представлены некоторые примеры использования различных принципов нагружения для испытания усов на растя­

14

жение: электромагнитный (а), с помощью силы тяжести (б, в), пружинный (г).

Пружинное нагружение, по-видимому, наиболее распростране­ но при разработке микромашин. Форма пружин, их количество и расположение в пространстве относительно оси нагружения варьи­ ровались в разных конструкциях. На рис. 8, г представлена одна из наиболее простых конструкций.

В этом варианте «микромашина» крепилась на столике оптиче­ ского компаратора, микроскопы которого использовались для определения усилия растяжения и измерения деформации уса. Усложненный вариант этой конструкции представлен на рис. 9. Наиболее удачные конструкции позволяли записывать кривые де-

. формации в большом масштабе и были очень миниатюрными (15 х X 15X 15 слі), что позволяло исследовать влияние различных усло­ вий на свойства усов (состава газов, температуры, влажности, дав­ ления и т. д.). В последнее десятилетие широкое применение в научных исследованиях универсальных электронно-механических машин типа «Инстрон» позволило почти полностью отказаться от создания специальных машин для испытания сверхтонких сече­ ний: машины типа «Инстрон» имеют двухграммовые шкалы нагру­ зок и низкие скорости нагружения вплоть до 0,005 смімин.

В настоящее время большинство испытаний усов и тонких ни­ тей ведется на этих машинах, которые дополняются различными приспособлениями для монтажа усов и их испытания при высоких температурах.

Для испытания нитевидных кристаллов при высоких темпера­ турах вплоть до 2000° С применяют либо микроспираль, либо микрогорелку. Одна из схем аппаратуры для высокотемпературных испытаний показана на рис. 10 [11].

Третья трудность в работе с нитевидными кристаллами — опреде­ ление площади поперечного сечения — преодолевается созданием ряда специальных дополнительных методик. К недостаточно точным следует отнести метод непосредственного измерения диаметра усов в световом микроскопе. Так как форма поперечных сечений усов разнообразна и не всегда геометрически правильна, этот метод дает ошибку до 10%.

Большую точность дают определения поперечных размеров усов с помощью электронной микроскопии (теневое изображение) и интерферометрии. Разработан также ряд методик получения попереч­ ных сечений усов путем заклеивания нитевидных кристаллов в пластик и окончательного изготовления шлифов обычными мето­ дами. Определение площади поперечного сечения кристалла про­ изводится путем планиметрирования микрофотографий шлифа.

В настоящее время исследованы механические свойства при растяжении многих металлов и неметаллов.

В табл. 1 [ 1] приводятся основные данные о прочности наиболее изученных видов усов при растяжении. Эти результаты получены путем деления максимальной нагрузки Р на номинальную площадь

15

Рис. 9. Принципиальная схема пружинного устройства для определения прочности усов при растяжении

1 — сердечник дифференциального трансформа' тора; 2 — дифференциальный трансформатор; 3 — нитевидный кристалл; 4 — захват; 5 — ползун;

поперечного сечения F

1000Р(Г) кГ/мм2.

При испытании усов на растяжение отмечалось два основных типа диаграмм деформации, показанных на рис. 11 [2].

Первый вид деформирования характерен для усов хрупких материалов и высокопрочных тонких кристаллов большинства

16

Рис. 11. Два основных вида кривых деформации нитевидных кристаллов [2]

1 — для большинства веществ; I I — для металлов с гранецентрнрованнымн и гексаго­ нальными кристаллическими решетками

веществ. В этом случае в начальной стадии деформирования наблю­ дается почти линейная зависимость между напряжением и дефор­ мацией (до деформации 1—2%), затем линейный закон нарушается и нитевидный кристалл хрупко разрушается. Некоторые высоко­ прочные кристаллы при разрушении «изламываются» и «скручи­ ваются». Модуль упругости усов этого типа, определенный по на­ клону прямолинейного участка о —• е, оказался близким к модулям упругости массивных кристаллов.

Второй вид деформирования характерен для усов металлов, обладающих гранецентрированной и гексагональной решетками,— Ag, Cu, Au, Zn, Cd. В этом случае усы деформируются упруго на определенном участке, а затем текут, как правило, при напряжениях, в десятки раз более низких, чем напряжение начала течения. Течение распространяется по длине кристалла путем движения фронта Чернова — Людерса. После того как оно охватит весь крис­ талл, вновь наблюдается упрочнение.

Рис. 12. Диаграмма растяжения уса алюмокалиевых квасцов диаметром 11 мкм

Иногда кривая Р — е имеет и более сложный характер (рис. 12) [1]. Хотя определение упругих констант нитевидных кристаллов представляет большой практический интерес (в ряде случаев выбор армирующих волокон определяется значением их модуля нормаль­ ной упругости), известно сравнительно небольшое количество ра­ бот, посвященных этому вопросу. Построение диаграмм нитевид­

18

ных кристаллов показало, что модуль нормальной упругости усов в большинстве случаев мало отличается от модуля упругости этих материалов в массивных сечениях. Правда, модуль нормальной упругости керамических усов А120 3 и SiC [12], измеренный по диаг­

Проведенные измерения убедительно подтвердили правильность первоначального вывода о том, что модули упругости усов близки к модулям упругости массивных монокристаллов.

Описанные в литературе необычайно высокие значения модулей нормальной упругости усов А1.30 3 и SiC скорее всего следует счи­ тать ошибочными.

Одной из наиболее характерных особенностей поведения ните­ видных кристаллов при растяжении является наличие зависимости прочности от их диаметра. Как правило, при диаметре более 30— 40 мкм прочность усов становится близкой к прочности массивных образцов: резкое возрастание прочности наблюдается обычно при

19