Микроострия. Свойства, изготовление, применение. Сергей Зайцев
его прочности. Особенно возрос интерес к этому явлению в последнее время, в связи с развитием нанотехнологий. Наиболее заметным становится этот эффект при диаметрах меньше 1 мкм. В этом случае прочность повышается в десятки раз и приближается к теоретически предельным значениям. Так, если массивный вольфрам имеет прочность σ = 200 кг/мм2 то микроострия из него же с диаметром при вершине 0.1 мкм имеют прочность 2000 кг/мм2 [6]. Прочность железа на разрыв 27 кг/мм2, а «усов» из него 1350 кг/мм2. Но рекорд принадлежит графиту – микрообразцы прочнее массивного материала в 2000 раз [7]. Причину этих явлений объясняет теория масштабного эффекта, в основе которой лежит предположение, что чем меньше объем образца, тем меньше вероятность нахождения в нем опасного дефекта [8]. Эта теория дает качественно верные предсказания. Согласуется с экспериментом и кинетическая теория масштабного фактора в прочности материалов [9]. Однако ситуация при наличии дефектов (например, радиационного происхождения) значительно усложняется, и такие простые теории не дают удовлетворительных предсказаний.
До сих пор нет единого мнения относительно предельно возможных значений прочности. Теоретические оценки предельной прочности σ можно разбить на три группы:
1.Простые оценки, сделанные исходя только из модулей упругости без учета процессов пластической деформации. Наиболее разумной оценкой, на наш взгляд, является σ=E*/10 [10], где E* – модуль Юнга.
2.Оценки, учитывающие также энергетические параметры материала. Наиболее широкую известность приобрела формула Орована [11], которая получена в предположении, что зависимость напряжение-смещение при нормальном отрыве атомных плоскостей может аппроксимироваться первой половиной синусоиды с начальным углом наклона, равным модулю Юнга. Предполагается также, что работа разрушения равна эффективной поверхностной энергии γ. Исходя из этого получена формула σ = γ (E*/а) 1/2, где а – расстояние между атомными плоскостями, перпендикулярными к оси растяжения. В модифицированном варианте этой идеи вместо γ вводится более легко определимая энтальпия Н; σ = 2Е*Н/ (π (1-μ2)) 1/2, где μ – коэффициент Пуассона.
3.Уточненные расчеты, основанные на подсчете атомных связей и знании межатомных потенциалов [12—15]. Эти расчеты, несомненно, дадут в дальнейшем наиболее надежные результаты, но ввиду отсутствия или малой надежности многих требуемых исходных параметров проведены пока только для очень ограниченного числа материалов. В случае микроострий разумно ограничиться оценкой прочности на основе модуля упругости на растяжение. Это связано с тем, что образцы настолько малы, что процессы пластической деформации или образования новых поверхностей не являются определяющими (поэтому энергетические параметры можно не учитывать). Можно предположить, что при данных условиях нагружения разрушение происходит одновременно по всему сечению образца. Кроме того, низкая точность предварительных оценок все равно не позволяет пока произвести достаточно