Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
D – размер зерна, Hv – твердость материала, σт – предел текучести, H0 – твердость тела зерна, σ0 – внутреннее напряжение, препятствующее распространению пластического сдвига в теле зерна, k – коэффициент пропорциональности.

Закон Холла-Петча (nanomechanics)

Ключевые слова:  наноазбука, периодика

Автор(ы): Наноазбука (первая версия)

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

18 декабря 2008

Легко ли сломать или разорвать стальной стержень? Если взять калькулятор и посчитать теоретическую прочность материала на разрыв, приняв в расчет энергию его химических связей, вы получите значения, намного превосходящие действительную прочность изделий. Так что же на самом деле происходит при приложении нагрузки, и почему так сильно различаются экспериментальные и теоретически рассчитанные значения прочности? Оказывается, при механическом напряжении материалы ведут себя согласно поговорке «где тонко, там и рвется», и в данном случае «тонким звеном» оказываются места локализации дефектов, т.е. те области, где нарушается непрерывная структура материала. Сравните, например, усилия, которые нужно приложить для того, чтобы сломать плитку обычного или пористого шоколада, свежесрубленную или сухую палку, обожженный или сырой кирпич. Именно благодаря дефектам мы можем разломить стекло по линии, проведенной стеклорезом, или открыть пакетик с соком или молоком по предварительно нанесенной перфорации.

Что же происходит с материалом при переходе от объемного состояния к наноструктурированному? Что будет, если постепенно уменьшать толщину стержня, станет ли он еще более хрупким? Именно такой вопрос задал себе в 1920 г. сотрудник Авиационного исследовательского центра в Фарнборо А.А. Гриффитс и нашел на него ответ, проведя эксперименты со стеклянными стержнями. Он обнаружив неочевидную, с первого взгляда, закономерность: при уменьшении диаметра стержня его удельная механическая прочность возрастала, причем значительно. Такое изменение прочности в зависимости от диаметра стержня связано с тем, что при уменьшении толщины, дефекты структуры все легче и легче выходят на поверхность, приводя к образованию практически идеальной решетки. Все больше и больше прочность материала приближается к теоретической. Рекордсменами среди макроскопических объектов являются нитевидные кристаллы, их прочность в десятки раз превышает прочность и гибкость объемного материала. Пробовали ли Вы согнуть или сплющить бабушкин бриллиант? И не пробуйте, в лучшем случае получите алмазный порошок! А вот алмазные «усы», выращенные в особых условиях, можно практически завязать в узел. При этом и в том, и в другом случае речь идеть об одном и том же структурном состоянии углерода – алмазе. Получается, что «усы», а не крупные бриллианты, - самые совершенные из кристалов!

Большинство наноструктур также практически не содержит дефектов, а для отдельных углеродных нанотрубок предел прочности на разрыв превышает 50 ГПа. Нанотрубки сложно разорвать как растягиванием, так и изгибом – при своей рекордной прочности они не являются хрупким материалом, и могут быть согнуты более чем на 90˚ без излома. Аналогичным образом было обнаружено, что прочность слоистых структур зависит от толщины отдельных слоев, а прочность некоторых объемных материалов – от размера образующих их зерен. Эти закономерности выражает закон Холла-Петча, согласно которому прочность материала возрастает при уменьшении размеров частиц по формуле, приведенной слева.

Однако не стоит думать, что безграничное уменьшение толщины стержня или размера зерен материала приведет к закономерному улучшению его механических свойств и достижению значений теоретической прочности. На самом же деле, практически любой материал состоит из зерен, границы которых сами являются дефектами, по которым может происходить разрыв. В ряде случаев (но не всегда) действует достаточно простая закономерность, что чем меньше размер зерен, тем меньше силы трения между ними, и тем проще деформировать материал. В частности, при определенных размерах зерен (< 50 нм) керамика может переходить из прочного состояния в сверхпластичное, когда даже при небольшом нагреве и малых нагрузках можно деформировать (прессовать или вытягивать) материал без разрушения. Этот переход объясняется сменой механизма деформации – уже не происходит деформации зерен при нагрузке, а они начинают скользить вдоль межзеренных границ (зернограничное проскальзывание). Разумеется, это расширяет технологические возможности. Так, можно получить керамику с наноразмерными зернами, прессованием или формованием задать форму детали (обычная керамика может быть прочной, но хрупкой и разрушатся даже при малых деформациях), а потом отжигом увеличить размер зерен, придав материалу хорошие прочностные характеристики.

Практическое использование уникальных механических свойств наноматериалов, зачастую ограничивается их высокой стоимостью. Однако вовсе не обязательно изготавливать всю деталь из наночастиц, достаточно армировать удобный в применении материал прочными нановолокнами и нанотрубками, подобно тому как, применяя стальные прутья – арматуру, увеличивают прочностные характеристики бетона. Сегодня в продаже уже появились первые продукты нанотехнологической эры: компании Easton Sports и Babolat выпустили бейсбольные биты и теннисные ракетки, армированные углеродными нанотрубками.

Литература:

Ch.P. Poole, F.J. Owens, Introduction in nanotechnology, John Wiley & Sons, 2003


В статье использованы материалы: Нанометр


Средний балл: 10.0 (голосов 6)

 


Комментарии
Владимир Владимирович, 18 декабря 2008 15:15 
Не работают хитрые научные символы на подписи к рисунку
Сравните, например, усилия, которые нужно приложить для того, чтобы сломать плитку обычного или пористого шоколада, свежесрубленную или сухую палку, обожженный или сырой кирпич.

Пожалуйста, скорее скажите правильные ответы!!! А то придется бежать за шоколадом!..
Владимир Владимирович, 19 декабря 2008 03:14 
Кирпич - прочнее, а шоколад - вкуснее
Но здесь как раз тот случай, когда просто необходимо проверить экспериментально
Давайте разделимся: я буду проверять шоколад на прочность, а Вы - кирпичи на вкус.

Исходя из структуры изложения, я подумала, что прочность сухой ветки относительно мокрой и всякие прочие примеры являются наглядно-очевидными вещами. Тем не менее, для меня осталось загадкой, что же они должны проиллюстрировать.
Владимир Владимирович, 19 декабря 2008 03:40 
Для меня тоже остался некоторой загадкой этот расплывчатый пример.

Думаю, кирпичи не вкусны , а шоколад - ненадежный конструкционый материал. Все шоколадные домики, которые я когда либо строил, оказывались съеденными.

И, конечно, проникся доброй справедливостью предложенного плана: кому - гранит науки, а кто-то весь будет в шоколаде
Как говорят, РОСНАНО в шоколаде, с головы до ног ...
Владимир Владимирович, 19 декабря 2008 16:12 
Гранита твердью РосНано вдарьте!
Гранита твердью РосНано можно будет вдарить только тогда, когда они подойдут к заключительной фразе нейро-лингвистического программирования, изложенной в Законе РФ утвержденном экс-президентом.
Л В А, 21 декабря 2008 00:53 
Нужны констр. мат-лы на 4,5ГПа и более (кроме алмазов и сопоставимых им по цене, пленки на керамике сойдут) . Есть ли что готовое, что можно было бы купить?
Жень, это СОВСЕМ НЕ ТА статья НА, которую стоило бы как либо рекламировать, кроме как с заданием найти неточности...

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Солнце с молоком
Солнце с молоком

MAPPIC 2019. Первый день
14 октября 2019 года успешно открылась I Московская осенняя международная конференция по перовскитной фотовольтаике (Moscow Autumn Perovskite Photovoltaics International Conference – MAPPIC-2019). В сообщении приведены темы докладов и небольшой фоторепортаж.

В Москве начинается MAPPIC - 2019
14-15 октября 2019 года состоится I Московская осенняя международная конференция по перовскитной фотовольтаике (Moscow Autumn Perovskite Photovoltaics International Conference – MAPPIC-2019)

РИА Новости: Нобелевскую премию по химии присудили за разработку литий-ионных батарей
РИА Новости: Джон Гуденаф, Стенли Уиттингхем и Акира Йошино стали лауреатами Нобелевской премии в области химии за 2019 год за разработку литий-ионных батарей.

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Как правильно заряжать аккумулятор?
Д. М. Иткис
Химик Даниил Иткис о том, как правильно заряжать аккумуляторы гаджетов и почему телефон выключается на холоде

Постлитийионные аккумуляторы
В. А. Кривченко
Физик Виктор Кривченко о перспективных видах аккумуляторов, фундаментальных проблемах в производстве литий-серных источников тока и преимуществах постлитийионных аккумуляторов

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.