Енергетичнi характеристики поверхневих шарiв i фiзико-механiчнi властивостi твердих тiл

 

Тут e – відносна діелектрична проникність середовища (зокрема, для квар-цу у твердому стані – e = 4, 5).

Складову W2 виражаємо через компоненти механічних напружень sx і sy як і у співвідношенні (7), а sx і sy знаходимо аналітично з використан-ням граничних умов на поверхні зразка діелектрика, які аналогічні до (6) :

 

jz = – Zсo; sx = – (e•eo/2)  (¶Y/¶x) 2 при x = 0. (33)

 

Тут jz = Zс – Zсo – відхилення потенціалу Zс від його рівноважного значення Zсo далеко від поверхні в об’ємі тіла;

Zс – модифікований хімічний потенціал зв’язаних електричних зарядів (аналогічний до Ф (1) для електропровідного тіла).

Слід відзначити, що для діелектричних тіл зміщення подвійного електричного шару на відстань Z поблизу поверхні не враховуємо.

Розроблено методику оцiнки змiни поверхневого натягу в опромiнених a-частинками зразках кварцу.

Для зразкiв скла, якi пiддаються розтягу, проведено аналiз параметрiв, що входять у критерiй Грiффiтса-Орована. Виявлено, що ультрафiолетове випромiнювання приводить до зростання пластичної складової ефективної поверхневої енергії gпл вiд 17% до 23%, а вiдпалювання викликає зростання gпл i радiуса заокруглення вершини трiщини від малих значень до 70%. Опромінення приводить до збільшення числа вакансій і міжвузлових атомів у поверхневому шарі. Якщо стан тіла наближається до граничного (втрати міцності), то додаткове число точкових дефектів утруднює старт лінійних, двовимірних і тривимірних дефектів, тобто зміцнює матеріал. Це проявляється у зростанні границі міцності і відповідно ефективної поверхневої енергії та її складових.

Дослiджено вплив радiацiйних точкових дефектiв на мiжфазний натяг контактуючих тiл. З допомогою лiнiйних двовимірних рiвнянь стану отримано спiввiдношення, яке зв’язує мiжфазний натяг sм і роботу адгезії wa з поверхневими ss1 і ss2. Для металів і діелектриків виявлено, що вплив точкових дефектів на зміни sм i wa можна з достатньою точністю характеризувати ефективним однорідним полем стискуючих напружень.

Приведено вираз для роботи адгезiї мiж тiлами. На прикладi показано, що вiдхилення вiд правила Антонова (яке зв’язує роботу адгезії з поверхневими натягами ss1 і ss2) складає 78 % для радiацiйно опромiнених i 82% для неопромiнених зразкiв. Встановлено, що точковi радiацiйнi дефекти викликають суттєвi зміни мiжфазного натягу в контактуючих дiелектричних плiвках ZrO2 i HfO2.

Розроблено методику оцiнки фiзичних постiйних, якi характеризують поверхневий шар у дiелектричних тiлах, зокрема, при їх деформуваннi поблизу границi мiцностi. Як і для металів установлено, що характеристики матері-алу у рівняннях стану типу (4), (5) і означенні поверхневої енергії (7) b, Сe, E, n, x не залежать від електричного заряду та напружень і з їх допомогою можна з достатньою точністю проводити оцінку значень поверх-невих енергій і натягів у опромінених та механічно навантажених тілах.

У п’ятому роздiлi визначено поверхневу енергію та змiни енергетичних характеристик поверхневих шарів у електропровідних та діелектричних твер-дих тілах, стан яких близький до границь текучості і міцності. Дослiджено за-кономiрностi розмiрного ефекту при пластичному i квазiкрихкому деформу-ваннi пластин, тонких плiвок, тонких цилiндричних зразкiв, тонких стержнiв поблизу границь текучості та міцності з урахуванням активних середовищ, нагрiву. При цьому виконувались умови розтягу, стиску, згину, змiни швид-костi навантаження, циклiчності при втомному руйнуваннi, низьких темпера-тур, протонного i гамма-випромiнювання, враховувались кривизна поверхонь дослiджуваних зразкiв, наявність тріщин. На основi виявлених закономiр-ностей в ряді конкретних випадків встановлено співвідношення між про-порційними об’єму та площі поверхнi складовими граничних навантажень.

Оцiнено вплив зовнiшнього середовища (повiтря, рiчкова вода, солона вода, масло марки МС) на енергетичнi характеристики масштабного ефекту мiцностi в геометрично подiбних стержнях сталей 20Х, 40Х, якi пiдда-ються дiї циклiчного навантаження (деформацiя згину).

Розраховано числовi значення енергетичних параметрiв, що характери-зують “аномальний” розмiрний ефект мiцностi для одновiсного розтягу стержнiв олова в 0, 2% розчинi олеїнової кислоти у вазелiновому маслi. Аналогiчнi розрахунки виконано для стержнiв з мiдi, алюмiнiю, сталей (30ХГСА, 30СГСНА, 18ХНВА, 40ХНМА), якi пiддаються одновiсному розтягу i характеризуються “нормальним” розмiрним ефектом мiцностi. Проведено порiвняння енергетичних параметрiв yp (17) для рiзних матерiалiв. Вста-новлено, що зростання температури на Dt = 400 K (T = [473... 873 K]) вик-ликає зменшення параметра yp для зразків мiдi у 8 разiв. Таке зменшення yp можна пояснити зменшенням енергії активації дислокацій поверхневого шару, які в процесі підвищення температури стають більш рухомими.

Порiвнюючи енергетичнi параметри dм (16) i yp (17), якi характери-ризують розмiрний ефект границь текучостi та мiцностi для зразкiв сталi 18ХНВА, виявлено, що вiдношення xм = dм/yp = 35.

На основi розрахункiв установлено, що для алюмiнiю dм приблизно на порядок менше, нiж у сталях i мiдi, але на два порядки бiльше нiж для олова, помiщеного у вазелiнове масло. Для рiзних сортiв сталей дiапазон dм досить великий dм = [17... 600 кДж/м2]. Для плiвок нiкелю мiкронних розмiрiв dм =

= 42 Н/м. Для тонких волокон мiкронних розмiрiв: а) мiдi – dм = 3665 Дж/м2 ; б) скла – dм = [2, 35... 50 кДж/м2 ]; в) кремнiю – dм = 3, 75 кДж/м2; германiю – dм = 12, 74 Дж/м2. Для стержнiв мiдi мiлiметрових розмiрiв dм = 141 кДж/м2.

На основi обгрунтування результатiв розмiрного ефекту мiцностi в плiв-ках ZrO2 i