CC BY
0УДК 53.043
ОБ ЭФФЕКТЕ ИОФФЕ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ
ЮРОВ ВИКТОР МИХАИЛОВИЧ
кандидат физ.-мат. наук, доцент, ТОО «ТСК восток», Караганда, Казахстан
ГОНЧАРЕНКО ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ
Доктор технических наук, профессор, Московский авиационный институт,
Москва, Россия
ОЛЕШКО ВЛАДИМИР СТАНИСЛАВОВИЧ
Кандидат технических наук, доцент, Московский авиационный институт,
Москва, Россия
Аннотация. Эффект Иоффе может наблюдаться только в поверхностном слое твердого тела, размер которого определен в статье. Этот слой представляет собой наноструктуру, размерные эффекты в котором приводят к уменьшению поверхностной энергии, к снижению прочности, возникновению нанотрещин и прочее, т.е. к проявлению эффекта Иоффе.
Ключевые слова: эффект Иоффе, поверхностный слой, наноструктура, твердое тело, нанотрещина, деформация.
В 20-х годах ХХ столетия академик А.Ф. Иоффе провел ряд экспериментов с кристаллом NaCl и он получил разрыв этой соли в размере 0,4 kg/mm2 вместо 200 kg/mm2 по теории М. Борна [1]. А.Ф. Иоффе связал это с существованием микротрещин в поверхностном слое. Затем он кристалл NaCl опускал в воду и измерял твердость его поверхности, которая увеличилась при растворении поверхности, приближаясь к теоретическому значению. Этот эксперимент был назван «эффектом Иоффе» [2]. Этому эффекту было посвящено много работ (см. обзор [3]). Это связано, прежде всего, с особенностью деформаций в поверхностном слое, чему посвящены работы [4, 5] и продолжаются до сих пор. Все эти неудачи связаны с тем, что отсутствует понятие о размерах толщины поверхностного слоя. Вообще существуют два подхода: подход Гиббса [6], в котором поверхностный слой условно рассматривается как геометрическая, не имеющая толщины поверхность; подход Ван-дер-Вальса, Гуггенгейма, Русанова, в котором поверхностный слой рассматривается как слой конечной толщины [7]. Согласно современным представлениям [8] под поверхностной фазой 71 понимают сверхтонкую пленку (поверхностный слой), находящуюся в равновесном состоянии с кристаллической основой (подложкой), свойства и структура которой отличны от объемных свойств 72. Однако вопрос о теоретической «толщине» этого поверхностного слоя для различных веществ до 2018 оставался открытым. Лишь после наших работ [9, 10] стало ясно как теоретически можно определить толщину поверхностного слоя, которая играет большую роль в нанотехнологиях и мезомеханике.
Цель настоящей статье заключается в описании модели поверхностного слоя и расшифровка эффекта Иоффе.
Поскольку поверхностный слой R(I) твердого тела представляет собой наноструктуру [9, 10], в которой происходят процессы релаксации или реконструкции поверхности [8], то
ЖАНГОЗИН КАНАТ НАКОШЕВИЧ
кандидат физ.-мат. наук, доцент, ТОО «ТСК восток», Алматы, Казахстан
пространство не занятое атомами кристалла мы и будем рассматривать как поле первичных микротрещин Иоффе размером Lnm = R(I), который равен [11]:
Lnm = R(I) = 0,17 • 10-9 • а • и [е ]. (1)
В уравнении (1) нужно знать один параметр - молярный объем элемента, который равен и = М/р (М - молярная масса, р - ее плотность), а = 1 м-2 - постоянная, чтобы соблюдалась размерность (R(I) [м]). По формуле (1) рассчитаем R(I) (табл. 1) для галогенидов щелочных металлов.
Таблица 1. Поверхностный слой R(I) и длина нанотрещин Lnm галогенидов щелочных металлов
Элемент Lnm = R(I), нм Элемент Lnm = R(I), нм Элемент Lnm = R(I), нм
NaCl 4,35 (8) KCl 6,38 (10) RbCl 7,35 (11)
NaBr 5,45 (9) KBr 7,37 (11) RbBr 10,1 (15)
NaI 6,94 (11) KI - RbI -
В табл. 1 поверхностный слой R(I) не превышает 10 нм, т.е. представляют собой наноструктуру. В скобках дано число монослоев кристалла - п = R(I)/a (а - постоянная решетки). Нетрудно смыть 8-10 монослоев кристалла, чтобы получить эффект Иоффе. Схематически уравнение (1) показано на рис. 1.
вакуум
R«)
Rai)
Sfc^OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO 3N£- J5000000000000000000000000000000 ooSoT; -c^oooooooooooooooooooooooooooo Bo§oSSdo8?c88oo8ooooooooooooooooooo h ан О с л ой OOOOOÖOeDOG «ооооооооооооооооооооооо оооооооо8ввак5-"^?ооооооооооооооооооо
2 s Sí Sí ^ ^ ^ S S S S S S мезослой ï: p; Ä; 5sg; ййй^Й TV /V /V /v
«11 fifi r 'l'i'l'l'l'l, , ////// / объемная фаза 'IIIIII
а)
40 б)
Рисунок 1. Схематическое изображение поверхностного слоя (а), периодическое изменение атомного объема элементов (б)
В слое R(I) нужно учесть размерный эффект, то поверхностная энергия слоя R(I) становится равной 71 [11]:
Yl = у 2(1 - R (I)/ R (I) + h ) « 0,3y 2 ,. (2)
Уравнение (2) показывает, что поверхностная энергия слоя R(I) в три раза меньше поверхностной энергии основного кристалла 72.
Вычислим теперь длину микротрещин, взяв за основу теорию Гриффитса из работы [12]. Гриффитс рассмотрел изменение энергии тела с трещиной L(G) при нагружении и получил энергетический критерий разрушения, согласно которому трещина приобретает способность распространяться лишь тогда, когда скорость освобождения упругой энергии Sis при росте станет равной или превысит энергию вновь образующейся поверхности. Для длины трещины он получил выражение:
L(G) = 2(Yj + у2) • E / n&l [м] (3)
Вычисленные значения L(G) представлены в работе [13] и они показывают незначительное различие между значениями, полученными по формуле (3) и формуле (1): L(G) ~ L = R(I). Это говорить о справедливости нашей модели (и теории Гриффитса). Лучше вычислять длину микротрещин по формуле (1), зная атомную массу и плотность металлов, сплавов и других соединений, которые можно определять экспериментально с любой точностью. В формуле (3) присутствуют два параметра: у = у1+ у2 - удельная поверхностная энергия (поверхностное натяжение) твердого тела и Sis - внутренние напряжения между фазами Y1 и у2 (Гриффитс назвал его критическим напряжением).
Определить у экспериментально - это довольно сложная задача в отличие от жидкостей, поскольку атомы на поверхности твердого тела при обычных температурах неподвижны. Экспериментально эта задача решалась с 20-го года ХХ-го столетия и продолжается до настоящего времени. Наиболее надежно можно измерять у при температуре, близкой к температуре плавления металла, когда подвижность атомов становится заметной. Этот прием получил название - метод «нулевой ползучести».
Если уменьшать толщину слоя зерна d металла (а в нашем случае R(I)), то увеличивается предел текучести g и твердости Н, то есть наблюдается упрочнение металла, называемое эффектом Холла-Петча [14]:
ст = ст0+ Ц • d-1/2, H = H0 + Ц • d-1/2, (4)
где G0, Н0 - соответствуют пределам текучести и твердости основного кристалла или монокристалла; К - коэффициент пропорциональности, характерный для металла.
Эффект Холла-Петча, связан с торможением дислокаций. Но в работе [14] и многих других было показано, что при очень низких значениях d <10 нм, эффект Холла-Петча меняется на обратный. Этот вопрос остается до сих пор дискуссионным. Нами в работе [15] было показано:
ст = ст0+ N •у^ d-1/2, (5)
где у - поверхностная энергия, С - коэффициент пропорциональности.
Для поверхностной энергии малых частиц радиусом r = 0,5 d Русанов А.И. получил следующее соотношение [7]: у = К1 r = 0,5 К1 d, подстановка которого в уравнение (4) превращает его в обратный эффект Холла-Петча. Таким образом, обратный эффект Холла-Петча в слое R(I) связан с размерной зависимостью поверхностной энергии (у1 = 0,3у2) и приводит к его разупрочнению (пластичности) в соответствии с эффектом Иоффе [1, 2].
В работе [16] был дан обстоятельный анализ теории Гриффитса. Были выявлены следующие недостатки его теории, а именно: неправильный выбор Гриффитсом геометрии микротрещин (т.е. ее длины); критическое напряжение не связано с существованием готовой трещины некоторой конечной длины; неправильно осуществлено вычисление изменения упругой энергии.
В связи с этим, теория Гриффитса не получила должного развития, а были придуманы новые модели [17]: Зинера-Стро-Петча, Коттрелла, Баллафа-Гилмана, Орвана-Стро, Кобле, Набарро-Херринга.
Перечисленные в работе [ 16] недостатки теории Гриффитса устранены в рамках нашей модели и дали приемлемое согласие с теорией Гриффитса.
Заключение
На длину трещины твердого тела , приводящих к их деформации и разрушению, особенно сильно влияет величина поверхностной энергии у.
Чтобы снизить влияние микротрещин за счет эффекта Иоффе в наноструктурном поверхностном слое, надо удалить несколько монослоев металла. Это достигается с применением высокоэнергетических технологий обработки поверхности, а именно: лазерные, ионные и электронные пучки.
Практическая значимость перечисленных выше технологий зависит от понимания
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
процессов, происходящих в поверхностном слое металла, представляющего наноструктуру открытого типа, которому присущи все моменты синергетики.
Данная научная статья опубликована в рамках выполнения грантового финансирования на 2024-2026 годы ИРН № АР32488258 «Разработка инновационной технологии получения графена интеркаляцией графита микрокластерной водой и модификация графеном ВТСП керамики» (исследование финансируется Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1. Иоффе А.Ф. Отчет о работе физико-технического института // УФН, 1936, том. XVI. вып. 7. -С. 848-871.
2. Френкель В.Я. Абрам Федорович Иоффе (Биографический очерк) // УФН. 1980. том. 132. вып. 1. - С. 11-45.
3. Баранов Ю.В. Эффект Иоффе на металлах. - М.: МГИУ, 2005. - 140 с.
4. Ибатуллин И.Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. - 387 с.
5. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В. Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - 254 с.
6. Гиббс Дж.В. Термодинамические работы. - М.: ГИТТЛ, 1950. - 303 с.
7. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. - Л.: Химия, 1967. -346 с.
8. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. Введение в физику поверхности. - М.: Наука. - 2006. - 490 с.
9. Юров В.М., Гученко С.А., Лауринас В.Ч. Толщина поверхностного слоя, поверхностная энергия и атомный объем элемента // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2018, вып. 10. - С. 691-699.
10. Юров В.М. Толщина поверхностного слоя атомарно-гладких кристаллов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов, 2019, вып. 11. -С. 389-397.
11. Юров В.М., Гончаренко В.И., Олешко В.С. Исследование первичных нанотрещин атомарно-гладких металлов // Письма в ЖТФ, 2023, том 49, вып. 8. - С. 35-38.
12. Griffith A.A. The theory of rupture // In Proc. Ist. Congr. Appl. Mech.-Delft., 1924. - P. 55-63.
13. Юров В.М., Гончаренко В.И., Олешко В.С. Первичные нанотрещины в нитридах, боридах и карбидах тугоплавких металлов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов, 2023, Вып. 15. - С. 328-337.
14. Малыгин Г.А. Пластичность и прочность микро- и нанокристаллических материалов (Обзор) // ФТТ, 2007, Том 49, вып. 6. - С. 961-982.
15. Юров В.М., Лауринас В.Ч., Гученко С.А. Некоторые вопросы физики прочности металлических наноструктур // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов, 2013, Вып. 5. - С. 408-412.
16. Гарбер Р.И. и Гиндин И.А. Физика прочности кристаллических тел // УФН, 1960, Том 70, №1. - С. 57-110.
17. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения. М.: Физматлит,, 2006. 238 с.
