Енергетичнi характеристики поверхневих шарiв i фiзико-механiчнi властивостi твердих тiл

ЧЕРНIВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНIВЕРСИТЕТ iменi Ю. Федьковича

 

01. 04. 07 – фiзика твердого тiла

 

Юзевич Володимир Миколайович

УДК 539. 2: 537. 222: 536. 7

 

Чернівці – 1999

 

Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана у Фiзико-механiчному iнститутi iм. Г. В. Карпенка Національної академії наук України.

Науковий консультант: доктор технiчних наук, професор Сопрунюк Петро Маркiянович, Фiзико-механiчний iнститут iм. Г. В. Карпенка НАН України, завiдувач вiддiлу.

Офiцiйнi опоненти: доктор фiзико-математичних наук, професор Фодчук Iгор Михайлович, Чернiвецький державний унiверситет iм. Ю. Федьковича, професор кафедри фізики твердого тіла доктор фiзико-математичних наук, професор Якібчук Петро Миколайович, Львiвський державний унiверситет iм. I. Я. Франка, завiдувач кафедри рентгенометалофізики доктор фiзико-математичних наук, старший науковий спiвробiтник Покропивний Володимир Васильович, Iнститут проблем матерiалознавства iм. I. М. Францевича НАН України, провiдний науковий спiвробiтник.

Провiдна установа: Iнститут металофiзики НАН України, відділ теорії твердого тіла, м. Київ.

 

Актуальнiсть теми. Важливою для вимiрювальної i лазерної технiки є проблема ресурсу чутливих елементiв лазерiв, термопар, електричних зондiв. В них пiд дiєю радiацiйного опромiнення виникає велика кiлькiсть точкових дефектiв (типу “вакансiя – мiжвузловий атом”). Як показали експерименти, ресурс таких елементiв приладiв залежить вiд наступних основних факторiв: а) розмiрiв i форми зразкiв, б) концентрацiї точкових дефектiв, в) механiчного стану поверхневих шарiв. В рядi випадкiв, оцiнюючи фiзичнi параметри згаданих вище елементiв приладiв на основi традицiйних пiдходiв фiзики твердого тiла i фiзики поверхнi, спостерiгаємо великi вiдхилення вiд експерименту. Тому потрiбно створювати новi теоретичнi моделi, якi б враховували вказанi три фактори (а), (б), (в) в сукупності.

Розв’язання проблеми ресурсу елементiв приладiв залежить вiд вибору надiйних мiцних матерiалiв твердих тiл. Доцiльнiсть застосування матерiалiв у конкретних пристроях вимірювальної техніки прийнято оцiнювати на основi теоретично обгрунтованої термодинамiчної моделi i критерiю мiцностi.

Розкриваючи суть проблеми i її стан, вiдзначимо, що аналiз параметрiв, якi характеризують особливостi розмiрного ефекту мiцностi в твердих тiлах, був бажаним, але реалiзація його відбувалась тiльки частково на основi ймовiрнiсного пiдходу або емпiрично, не вводячи в розгляд характеристик поверхнi. Вiд характеристик поверхнi неявно залежать емпiричнi константи, але методику вiдповiдних теоретичних розрахункiв, якi б це припущення достовiрно iлюстрували, не розроблено. З допомогою емпiричних констант можна було пояснити результати тiльки деяких експериментiв, наприклад, залежнiсть границi мiцностi на розтяг вiд розмiрiв: а) геометрично подiбних зразкiв; б) зразкiв з рiзними поперечними круговими перерiзами рiвних довжин; в) зразкiв рiзної ширини. В інших дослідженнях для опису розмірного ефекту міцності було введено безрозмірні параметри, залежні від форми і розмірів тіл, зокрема в енергетичному критерiї Грiффiтса-Орована, який містить поверхневу енергiю i ефективну поверхневу енергiю. Черепанов Г. П. крім безрозмірної константи для дослідження масштабного ефекту мiцностi у зразках з трiщинами ввiв функцiю, яка дозволила обгрунтувати результати експерименту для зразкiв сталi 22К у певному дiапазонi розмiрiв. Полiлов А. Н. для обгрунтування масштабного ефекту в зразках рiзної довжини сформулював енергетичний критерiй руйнування, ввiвши в розгляд характеристику поверхнi, яка за фiзичним змiстом, розмiрнiстю i кiлькiсно вiдповiдає ефективнiй поверхневiй енергiї Грiффiтса-Орована.

В лiтературi є значна кiлькiсть експериментальних даних, для пояснення яких вiдомих критерiїв мiцностi недостатньо. Зокрема, це стосується iелектричних зондiв, деталей полiграфiчних машин). Вихiдну iнформацiю для вдосконалення критерiїв мiцностi згаданих вище елементiв приладiв можна вибрати, аналiзуючи вiдомi критерiї мiцностi з позицiй досягнень фiзики поверхневих явищ.

Вiдомi критерiї мiцностi мають частковий характер, тобто описують результати експериментiв для окремих зразкiв. Вони не дозволяють достатньо точно аналiзувати результати експериментальної оцiнки мiцностi твердих тiл з точковими дефектами, при деформуваннi яких може суттєво змiнюватись поверхневий натяг i проявлятись розмiрний ефект. Традицiйнi критерiї застосовуються до достатньо великих елементiв конструкцiй i не враховують у комплексi поверхневий натяг, поверхневу енергiю, енергетичнi параметри, зв’язанi з розмiрним ефектом, i змiну перелiчених величин при зовнiшнiх впливах. Тому розвиток моделей фiзики твердого тiла, якi ширше, нiж вiдомi моделi, врахують поверхневi явища, i побудова та вдосконалення на цiй основi нових критерiїв мiцностi є актуальним i доцiльним. Зокрема, дослiдження поверхневих явищ у чутливих елементах i вивчення обмежень, якi накладаються на зовнiшнi фактори, є актуальними i важливими у вимiрювальнiй та лазернiй технiцi, оскiльки вiд стану поверхнi в багатьох випадках залежать ресурс i змiни показiв приладiв.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацiйна робота виконувалась у ФМI НАН України в рамках науково-дослідних тем: 1) бюджетної теми: “Вимiрювання параметрiв електричних i магнiтних полiв стосовно задач дiагностики електропровiдних середовищ” (РБ-30/400, 1991-1993) ; 2) мiждержавних науково-технiчних програм – “Марс-94” (1992-1993), “Марс-96” (1994-1995) ; 3) державного проекту “Морське приладобудування” (1988-1996) ; 4) бюджетної теми “Розробка принципів побудови та створення високочутливих вимірювальних перетворювачів електричного поля “ (1994-1996)  (№ д/р 0195U004340) ; 5) бюджетної теми “Розробка принципiв побудови високочутливих iнформацiйно-вимiрювальних систем експрес контролю провiдних середовищ” (РБ-26/182, 1997-1999)  (№ д/р 0198U004615) ;.

Метою роботи є: створення термодинамічної теорiї поверхневої енергії твердих тіл, яка крім електричної враховує і механічну складову.

Досягнення цієї мети передбачає розв’язання наступних задач:

– побудова узагальненої термодинамiчної макроскопiчної