Способ определения коэффициента пуассона монокристаллов

Изобретение относится к области испытаний механических характеристик материалов. Сущность: определяют тип кристаллической решетки для монокристалла рентгеноструктурным методом, а затем по формуле определяют относительную поперечную деформацию и при заданной относительной продольной деформации вычисляют коэффициент Пуассона по формуле. Технический результат: снижение трудоемкости способа, расширение функциональных возможностей. 1 табл.

 

Изобретение относится к области испытаний механических характеристик материалов и может быть использовано как способ определения коэффициента Пуассона монокристаллов.

Известен способ определения коэффициента Пуассона материала, по которому, в частности, материал нагружают, измеряют его деформацию, а коэффициент Пуассона рассчитывают по формуле (Авторское свидетельство СССР №1176209, М. Кл. G 01 N 3/00, 30.08.1985 г.).

Известен способ определения коэффициента Пуассона материала, по которому, в частности, при одноосном наряженном состоянии одновременно измеряют поперечные и продольные деформации и по результатам измерений вычисляют коэффициент Пуассона (Авторское свидетельство СССР №551536, М.Кл. G 01 N 3/00, 25.03.1977 г.).

Известен способ определения коэффициента Пуассона металлов и сплавов, по которому, в частности, образец деформируют нагреванием, с помощью аппаратуры измеряют поперечную и продольную деформации образца и определяют коэффициент Пуассона (Авторское свидетельство СССР №304475, М. Кл. G 01 N 3/00, 25.05.1971 г.).

Недостатком способов является ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким по достигаемому результату является способ определения коэффициента Пуассона, по которому, в частности, в монокристаллическом образце возбуждают изгибные и крутильные колебания, по резонансной частоте определяют модуль Юнга и модуль сдвига, а коэффициент Пуассона рассчитывают по формуле (Авторское свидетельство СССР №1348703, М. Кл. G 01 N 3/00, 3/22, 30.10.1987 г.).

Недостатком является трудоемкость способа и ограниченные функциональные возможности.

Технический результат изобретения - снижение трудоемкости способа, возможность определения коэффициента Пуассона монокристаллов путем расчета по формуле, а также расширение функциональных возможностей за счет определения коэффициента Пуассона для монокристаллов предельно; малых объемов на уровне нанометрических размеров.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что в способе определения коэффициента Пуассона, по которому в монокристаллическом образце коэффициент Пуассона вычисляют по формуле, в отличие от прототипа предварительно определяют тип кристаллической решетки для монокристалла рентгеноструктурным методом, а затем по формуле

где k=1+k_стрN_орб,

k_стр - коэффициент, учитывающий тип структуры монокристалла;

N_орб - среднее число незаполненных орбиталей внешней электронной оболочки атома;

Δа₀, а₀ - соответственно изменение и величина периода кристаллической решетки,

определяют относительную поперечную деформацию ε_у и при заданной относительной продольной деформации ε_x=0,1 коэффициент Пуассона монокристалла

μ=ε_y/ε_x.

Кроме того, тип кристаллической решетки можно определить по справочным данным (Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. Учебник для вузов/Новиков И.И., Розин К.М. М.: Металлургия, 1990, 336 с.).

Пример конкретной реализации способа

Для рентгеноструктурного анализа изготавливаются образцы. Монолитные образцы в форме шлифов изготавливают из исследуемого материала обычными механическими способами и перед съемкой подвергают электролитической полировке для снятия наклепа. Плоские шлифы подготавливают для съемки с помощью электролитического травления для снятия деформированного слоя. При съемке на просвет образцы должны электролитически утоньшаться до тонкой фольги (С.С.Горелик, Л.Н.Расторгуев, Ю.А.Скаков. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: Металлургия, 1970, 366 с.).

Методами определения типа кристаллической решетки могут служить следующие:

- метод Лауэ;

- метод вращения кристалла.

Метод вращения является основным методом определения структуры, когда образец монокристаллический (Ч.Киттель Элементарная физика твердого тела: - М.: изд. "Наука", 1965. - 366 с.).

Например, коэффициент Пуассона монокристалла титана - Ti с гексагональной плотно упакованной кристаллической решеткой определяется следующим образом.

Поперечная деформация рассчитывается по формуле

где Δа₀, а₀ - соответственно изменение и величина периода кристаллической решетки;

k=1+k_стрN_орб=1+0,083·2,5=1,2075,

k_стр - коэффициент, учитывающий тип структуры монокристалла, в частности, для простой кубической решетки k_стр=0,167; для объемно-центрированной кубической решетки k_стр=0,125; для гранецентрированной кубической решетки и гексагональной плотно упакованной к_стр=0,083;

N_орб=2,5 - среднее число незаполненных орбиталей внешней электронной оболочки (изменяется от 1 до максимального числа незаполненных орбиталей внешней электронной оболочки) атома титана, т.е.

Тогда при продольной деформации ε_х=0,1 коэффициент Пуассона

μ=ε_y/ε_x=0,329.

Результаты расчетов для некоторых химических элементов сведены в таблицу.

Таблица
Символ элемента	Величина коэффициента Пуассона
расчетная	справочная	погрешность, %
Ti	0,329	0,36	8,6
Al	0,382	0,36	6
Cu	0,420	0,35	20

Из таблицы видно, что расчетное значение коэффициента Пуассона титана равно 0,329, а справочное значение - 0,36 (Механические и технологические свойства металлов: Справ. изд. Бобылев А.В. М.: Металлургия, 1987. 208 с.).

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить трудоемкость за счет расчета по формуле, в свою очередь, определение коэффициента Пуассона для монокристаллов предельно малых объемов на уровне нанометрических размеров, расширяет функциональные возможности способа.

Способ определения коэффициента Пуассона, по которому в монокристаллическом образце коэффициент Пуассона вычисляют по формуле, отличающийся тем, что предварительно определяют тип кристаллической решетки для монокристалла рентгеноструктурным методом, а затем по формуле

где k=1+k_стрN_орб,

k_стр - коэффициент, учитывающий тип структуры монокристалла;

N_орб - среднее число незаполненных орбиталей внешней электронной оболочки атома;

Δа₀, а₀ - соответственно изменение и величина периода кристаллической решетки,

определяют относительную поперечную деформацию ε_у и при заданной относительной продольной деформации ε_x=0,1 коэффициент Пуассона монокристалла μ=ε_у/ε_х.