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

хорошем соответствии со статистической теорией масштабного эф­ фекта, которая предполагает наличие в таких нитях дефектов, рас­ пределенных по объему образца [15]. Следует отметить, что для ма­

сурьмы возрастала от 0,57—0,77 (диаметр образца 4 мм) до 15— 22 кГІмм2 при уменьшении диаметра образца до 30 мкм\ в тонких

20

Рис. 14 Зависимости прочности усов от их диаметра [1, 2]

1 , 3 — кристаллические «щепки»; 2 , 4 — усы

медных проволоках, получаемых электрополировкой, также обна­ руживается масштабный эффект: при изменении диаметра от 50 до 3 мкм прочность их возрастала до 100 кГІмлс.

При испытании нитевидных кристаллов исследовалась также зависимость изменения прочности кристалла от его длины. Это яв­ ление изучалось на нитевидных кристаллах путем многократного их разрушения; после первого разрушения растягивали до разру­ шения оставшуюся половинку и т. д. В табл. 3 [5] приводятся ре­ зультаты подобных испытаний для усов ряда материалов.

Т а б л и ц а 3. Прочность усов в зависимости от числа последовательных испытаний одного нитевидного кристалла, к Г Ім м 2

21

Рис. 15. Зависимости прочности медных усов от диаметра (при средней длине /) (а), от длины (при среднем диаметре d) (б), от объема (в) и площади (а) их поверх­

ности [16]

/— 1 = 2 маг, 2 — d — 6,5 мкм

Возрастание прочности усов в ходе этих испытаний связывается с последовательным исчезновением наиболее опасных дефектов, обус­ ловливающих низкую прочность при первых разрывах.

Таким образом, масштабная зависимость прочности нитевидных кристаллов объясняется наличием «активных» внутренних и поверх­ ностных дефектов. Причем последние, как показали эксперименты, играют ведущую роль. Для усов меди были построены две зависи­ мости: обычная зависимость прочности от диаметра и зависимость прочности от длины [16]. Если предположить, что прочность усов должна определяться либо поверхностными, либо объемными де­ фектами, то построение зависимостей прочности от объема и от поверхности для двух серий экспериментов и нанесение их на один

Сравнение графиков показывает, что в данном случае поверх­ ностные дефекты оказывают определяющее воздействие на проч­ ность нитевидных кристаллов. К опасным поверхностным дефек­ там относятся ступени роста, приводящие к концентрации напря­ жений, которая либо ведет к разрушению (хрупкие материалы), либо к возникновению дислокационных источников, приводящих к пластическому течению. К обычным дефектам, влияющим на проч­

ность, следует прежде всего отнести примеси:

/

22

а) загрязнение исходных веществ и газов снижало прочность усов, получаемых восстановлением галогенидов;

б) значения прочности нитевидных кристалов солей, выращен­

ловиях.

Высказывается предположение, что скопления примесей гене­ рируют дислокации. Снижение прочности усов пластичных мате­ риалов вызывается главным образом действующими дислокацион­ ными источниками, а хрупких усов — в основном концентрацией напряжений у поверхностных дефектов. Высокая прочность усов, как показывает большое количество экспериментальных данных, связано с их внутренним и поверхностным совершенством.

Прочностные свойства нитевидных кристаллов зависят от тем­ пературы испытания. При понижении ее от комнатной до 20° К прочность усов железа возрастала почти на порядок [17]. Харак­ терно, что полученные экспериментальные данные хорошо согла­ суются с расчетами, проведенными на основе модели [17] закрепле­ ния дислокации облаками примесных атомов (рис. 16).

Испытание усов А120 3 [18] в обширном температурном интер­ вале вплоть до 2030° показало, что:

1) прочность усов А120 3 падала с ростом температуры, начи­ ная с 630° С;

<b=F/S, к Г /м м г

Рис. 16. Зависимость прочности усов железа от обратного диаметра при разных температурах (а) и от температуры при разных диаметрах (б) [17]

23

2) с ростом температуры изменяется вид масштабной зависи­ мости прочности: с повышением температуры эта зависимость ста­ новится слабо выраженной и при 1500° С исчезает;

3) во всем исследованном интервале температур при разруше­ нии усов не наблюдалось заметных следов пластической дефор­ мации.

На рис. 17, а, б схематически представлены две зависимости из­ менения прочностных свойств усов вплоть до температуры 1500° С

[19].

Испытания нитевидных кристаллов на изгиб не требуют сложного оборудования. Обычно изгиб усов осуществляется по одной из двух схем (рис. 18).

На рис. 19 изображено приспособление для изгиба усов. Упру­ гая деформация е определялась по формуле

г

где г —■радиус уса, а R — радиус кривизны.

Для изгиба усов кремния при высоких температурах исполь­ зовалось другое приспособление (рис. 20) [20]. Здесь ус изгибается, как балка на двух опорах. Упругая деформация нитевидных крис­ таллов, определенная в подобных экспериментах, достигала при­ мерно 4% при комнатной температуре. Прочностные свойства кристаллов кремния исследовались при изгибе при температурах 20—1000° С. До 600° С усы разрушались хрупко, упругая деформа­ ция достигала 1 °о. В интервале температур 600—650° С некоторые кристаллы разрушались хрупко, другие перед разрушением плас­ тически деформировались. При изгибе усов кремния в интервале от 600 до 800° С на кривых деформации наблюдался большой зуб на площадке текучести. Интересно, что параллельно с нитевид­ ными кристаллами кремния деформировались специально приго­ товленные бруски со стороной 15 мкм. При комнатной температуре прочность усов и стержней была одинаковой, при 800° С прочность

железа, цинка, кадмия и кремния. Усы диаметром более 10 мкм, как правило, подчинялись тем же закономерностям ползучести, что и в массивных сечениях. Но ползучесть тонких усов проявлялась необычно: она наступала после некоторого инкубационного периода, затем скорость ползучести возрастала, а далее ее скорость падала до нуля. На рис. 21 [20] представлена типичная кривая ползучести

24

Рис. 17. Зависимость прочности усов АІ20 3 от площади их поперечного сечения при разных температурах (а), от температуры (для сечения F = 100 мк2) (б)

[19]

Рис. 18. Схемы изгиба усов

а — свободный изгиб: б — по оправке; / — бриіва; 2 — ус; 3 — оправка

/

Рис. 19. Схема приспособления для изгиба усов

I — ус; 2 — лезвие бритвы; 3 — 5, 9 — детали микроскопа; 10 — микроманипулятор; 6—8, 11 — детали механизма вращения уса

Рис. 20. Схема устройства для испытания усов на изгиб при высокой темпера­ туре [20]

1 — ус; 2 — печь

П р и м е ч а н и е . Прочерки оэначают отсутствие данных.

кремниевого уса. Начальная скорость ползучести зависела от при­ ложенной нагрузки, возрастая с ростом последней. Большинство кристаллов до предела текучести деформируется упруго, но в не­ которых наблюдалась текучесть и в области малых напряжений.

Высказывалось предположение, что затухающая ползучесть в нитевидных кристаллах связана с выходом дислокаций из усов.

Рис. 21. Диаграмма ползучести уса кремния при 800° С [20]

г = 11,6 мкм;

I — 0,0885 см; F = 102 дин;

о = 3,64 X 10° дин/см2

Рис. 22. Кривая ползучести усов при ступенчатом изменении нап­ ряжения [21]

Это положение было подтверждено экспериментом на усах кадмия, которые в процессе ползучести подвергались действию двух на­ пряжений аг и о2 (рис. 22) [21].

Последействия отмечались только при первой перегрузке, когда еще имеется значительная плотность дислокаций. Введение

Рис. 23. Длительная прочность усов А1о03 [18]

Рис. 24. Схемы испытания усов на усталость

а — знакопеременный изгиб уса; б — повторное растяжение уса, наклеенно го на плоский образец-носитель

і

вкристалл дислокаций порождает ползучесть, которая со време­ нем быстро исчезает. После прекращения ползучести прочность усов заметно возрастала. Прямыми экспериментами (по ямкам травления) на усах NaCl было установлено, что в ходе ползучести плотность дислокаций в усах уменьшается, что подтверждает правильность ранее выдвинутых положений. Длительная прочность нитевидных кристаллов исследовалась на усах, имеющих практическое значение,

вчастности на усах А120 3. Показано, что предел длительной проч­ ности последних при температурах 1090 и 1520° С зависела от времени испытания (рис. 23) [18].

Циклическая прочность нитезидных кристаллов испытывалась по двум схемам (рис. 24). В первом случае нитевидный кристалл, снабженный магнитным «башмачком», изгибаясь, раскачивался в переменном магнитном поле с частотой собственных колебаний.

Упругая деформация в критическом сечении определялась по специальной методике [22]. В ходе экспериментов строились за­ висимости БуПр — Уцикл до разрушения.

27

В случае испытания по схеме б ус приклеивался к образцу-носи­

прочность [22]: усы выдерживали более 10е — ІО7 циклов при де­ формации примерно 3%, что соответствовало напряжениям до 300 кПмм1. Высокая усталостная прочность отдельных усов от­ ражала их высокое внутреннее совершенство.

2.ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ДИСКРЕТНЫЕ ВОЛОКНА

Дискретные поликристаллические волокна могут быть получе­ ны несколькими способами: 1) механическими (резка проволоки на куски, строжка для получения «металлической шерсти», фонтани­ рование, прокатка двухфазных сплавов) и 2) химическими (восста­ новлением галоидных солей, разложением металлоорганических соединений).

Механические методы известны давно. Некоторые из них ме­ ханизированы: существуют устройства для автоматической резки проволоки и устройства для непрерывного получения «металличе­ ской шерсти», которая представляет собой тонкую металлическую стружку длиной до 1 мм. Естественно, что поперечное сечение этой стружки может быть разнообразным. Чаще всего это треугольник с острыми краями.

Для получения металлической шерсти наиболее распростра йены машины непрерывного действия, в которых многочисленными режущими устройствами с проволоки снимаются тонкие слои металла [23]. В случае выработки тонкой «металлической шерсти» при­ меняются режущие устройства с 160 зазубринами на 1 см, для гру­ бых сортов (№ 3) — с 52 зазубринами на 1 см. Последние близки по размерам к обычным металлическим стружкам. Металлические волокна типа шерсти, как правило, неоднородны по сечению, со­ держат много макродефектов и имеют низкую прочность, которая обычно на этом типе волокон и не измеряется.

В настоящее время металлическая шерсть, кроме домашнего хо­ зяйства, широко применяется в промышленности. Путем фонтани­ рования расплавленного металла можно получать поликристалли­ ческие дискретные волокна главным образом легких металлов. Этот метод с успехом применен для производства волокон алюминия и олова [22, 24]. Оптимальными при фонтанировании этих материалов являются диаметр отверстий сопла — 0,06—0,08 мм, температура расплава 700—750 (алюминий) и 400° С (олово), давление 6 атм. Длина волокон колеблется в зависимости от режима работы от де­

28