Физики открыли новые грани подобия механического повреждения поверхностей
Чтобы поцарапать поверхность стали требуется гораздо больше усилий, чем для соскабливания слоя сливочного масла при помощи ножа. Но два этих процесса могут быть более подобными друг другу, чем считалось ранее. Команда ученых из США продемонстрировала, что образование царапины подразумевает «разрезание» верхнего слоя поверхности (вместо продавливания, на которое списывался этот процесс ранее). Исследователи изучили множество вариантов образования подобных механических повреждений и пришли к выводу, что царапанье поверхности может служить новым способом измерения трещиностойкости материалов, особенно при малых масштабах, где существующие техники оценки могут быть не применимы.
Процесс образования царапин при взаимодействии двух различных материалов с античных времен используется для определения сравнительной прочности минералов. К примеру, кварц может поцарапать кальцит, соответственно кварц – прочнее. Современные тесты для определения прочности измеряют силу, необходимую для формирования царапины на поверхности при помощи алмазного острия (или острия из другого прочного материала). Данная информация может применяться в самых разных областях. Геологи в нефтегазовой отрасли обычно используют эти данные для характеристики породы, которую предстоит бурить; а в автомобильной отрасли подобная информация применяется для характеристики прочности покрытий.
Однако до сих пор микроскопические детали образования царапин до конца были не ясны. Общее мнение, главенствующее среди специалистов по материаловедению, заключается в том, что поверхность перманентно деформируется или прогибается. В этом случае сила, необходимая для образования царапины, должна увеличиваться пропорционально площади поперечного сечения, выдавливаемого на пути инструмента. Наглядно это можно представить с помощью снегоочистителя, которому сложнее работать, если площадь его становится больше, или же глубина снега увеличивается.
Но, согласно исследованиям группы ученых из Massachusetts Institute of Technology (США), это правило не всегда соблюдается. В своей последней работе они показали, что сила, необходимая для образования царапины на поверхности из цемента или песчаника, зависит от глубины слабее, чем того можно было бы ожидать на основе полученной деформации. Подробные результаты работы приведены в журнале Physical Review Letters.
По мнению исследователей, лучшее соответствие экспериментальным результатам получается, если предположить, что царапающий инструмент «вырезает» часть поверхности, точно так же, как нож соскабливает слой масла. Сила, необходимая при этом, должна зависеть от ширины инструмента, но практически не изменяется при изменении глубины воздействия.
Для подтверждения своей теории ученые инициировали серию экспериментов с материалами, обладающими различными показателями прочности, от парафина до стали. Воздействия осуществлялись инструментами от 2,5 до 25 миллиметров шириной. Согласно проведенным измерениям, при постоянной ширине инструмента сила увеличивалась пропорционально квадратному корню глубины воздействия, что хорошо согласуется с разработанной моделью. Совпадение расчетов с экспериментом показали также пробы с цементом и известняком.
Одновременно с доказательством предложенной модели, в каждом эксперименте команда показывала, каким образом полученные данные могли бы использоваться для измерения не только прочности материала, но и его трещиностойкости, важного параметра, относящегося к хрупкости материала (в промышленности). Традиционно трещиностойкость измеряется созданием небольшой «пробной» трещины в образце и наблюдением за силой, необходимой для дальнейшего «развития» этой трещины. Но подобные исследования очевидным образом создают повреждения на поверхности (пускай и микроскопические); путь, предложенный учеными, обеспечил бы ту же информацию без дополнительных деформаций.
