Механизмы усиления материалов

Были разработаны методы для изменения предела текучести , пластичности и вязкости как кристаллических , так и аморфных материалов. Эти механизмы укрепления дают инженерам возможность адаптировать механические свойства материалов для соответствия различным различным приложениям. Например, благоприятные свойства стали являются результатом внедрения углерода в решетку железа . Латунь , бинарный сплав меди и цинка , обладает превосходными механическими свойствами по сравнению с входящими в ее состав металлами благодаря упрочнению раствором. Упрочнение деформацией (например, удары раскаленного куска металла по наковальне) также использовалось кузнецами на протяжении столетий для введения дислокаций в материалы, что увеличивало их предел текучести .

Основное описание

Пластическая деформация происходит, когда большое количество дислокаций перемещается и размножается, что приводит к макроскопической деформации. Другими словами, именно движение дислокаций в материале допускает деформацию. Если мы хотим улучшить механические свойства материала (т. е. увеличить предел текучести и прочность на разрыв ), нам просто нужно ввести механизм, который запрещает подвижность этих дислокаций. Каким бы ни был механизм (упрочнение, уменьшение размера зерна и т. д.), все они препятствуют движению дислокаций и делают материал прочнее, чем прежде. ^{[1] [2] [3] [4]}

Напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать движение дислокации, на несколько порядков ниже теоретического напряжения, необходимого для смещения всей плоскости атомов, поэтому этот режим снятия напряжения энергетически выгоден. Следовательно, твердость и прочность (как текучесть, так и растяжение) критически зависят от легкости, с которой движутся дислокации. Точки закрепления или местоположения в кристалле, которые противостоят движению дислокаций, ^[5] могут быть введены в решетку для уменьшения подвижности дислокаций, тем самым увеличивая механическую прочность. Дислокации могут быть закреплены из-за взаимодействия поля напряжения с другими дислокациями и частицами растворенного вещества, создавая физические барьеры из выделений второй фазы, образующихся вдоль границ зерен. Существует пять основных механизмов упрочнения металлов, каждый из которых представляет собой метод предотвращения движения и распространения дислокации или делает перемещение дислокации энергетически невыгодным. Для материала, который был упрочнен каким-либо методом обработки, величина силы, необходимая для начала необратимой (пластической) деформации, больше, чем для исходного материала.

В аморфных материалах, таких как полимеры, аморфная керамика (стекло) и аморфные металлы, отсутствие дальнего порядка приводит к текучести посредством таких механизмов, как хрупкое разрушение, образование трещин и образование полос сдвига . В этих системах механизмы упрочнения не связаны с дислокациями, а скорее состоят из изменений в химической структуре и обработке составного материала.

Прочность материалов не может увеличиваться бесконечно. Каждый из механизмов, описанных ниже, подразумевает некоторый компромисс, при котором другие свойства материала ухудшаются в процессе укрепления.

Механизмы упрочнения металлов

Деформационное упрочнение

Основным видом, ответственным за упрочнение, являются дислокации. Дислокации взаимодействуют друг с другом, создавая поля напряжений в материале. Взаимодействие между полями напряжений дислокаций может препятствовать движению дислокаций посредством отталкивающих или притягивающих взаимодействий. Кроме того, если две дислокации пересекаются, происходит запутывание линий дислокаций, вызывая образование выступов, которые противодействуют движению дислокаций. Эти запутывания и выступы действуют как точки закрепления, которые противодействуют движению дислокаций. Поскольку оба эти процесса более вероятны при наличии большего количества дислокаций, существует корреляция между плотностью дислокаций и прочностью на сдвиг.

Упрочнение при сдвиге, обеспечиваемое взаимодействием дислокаций, можно описать следующим образом: ^[6]

${\displaystyle \Delta \tau _{d}=\alpha Gb{\sqrt {\rho _{\perp }}}}$

где — константа пропорциональности, — модуль сдвига , — вектор Бюргерса , — плотность дислокаций. ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle \rho _{\perp }}$

Плотность дислокаций определяется как длина линии дислокации в единице объема:

${\displaystyle \rho _{\perp }={\frac {\ell }{\ell ^{3}}}}$

Аналогично, осевое упрочнение будет пропорционально плотности дислокаций.

${\displaystyle \Delta \sigma _{y}\propto {Gb{\sqrt {\rho _{\perp }}}}}$

Это соотношение не применяется, когда дислокации образуют ячеистые структуры. Когда образуются ячеистые структуры, средний размер ячеек контролирует эффект усиления. ^[6]

Увеличение плотности дислокаций увеличивает предел текучести, что приводит к более высокому напряжению сдвига, необходимому для перемещения дислокаций. Этот процесс легко наблюдать при обработке материала (в процессе холодной обработки металлов). Теоретически прочность материала без дислокаций будет чрезвычайно высокой ( ) ${\displaystyle \sigma \approx {\frac {G}{10}}}$ , поскольку пластическая деформация потребует разрыва многих связей одновременно. Однако при умеренных значениях плотности дислокаций около 10 ⁷ -10 ⁹ дислокаций/м ² материал будет демонстрировать значительно более низкую механическую прочность. Аналогично, легче перемещать резиновый коврик по поверхности, распространяя по нему небольшую рябь, чем волоча весь коврик. При плотности дислокаций 10 ¹⁴ дислокаций/м ² или выше прочность материала снова становится высокой. Кроме того, плотность дислокаций не может быть бесконечно высокой, поскольку тогда материал потеряет свою кристаллическую структуру. ^{[ необходима цитата ]}

Это схема, иллюстрирующая, как решетка деформируется при добавлении растворенного вещества. Обратите внимание на деформацию решетки, которую вызывают атомы растворенного вещества. Растворенным веществом может быть, например, углерод в железе. Атомы углерода в междоузлиях решетки создают поле напряжений, которое препятствует движению дислокаций.

Это схема, иллюстрирующая, как решетка деформируется при добавлении замещающего растворенного вещества. Обратите внимание на деформацию решетки, которую вызывает атом растворенного вещества.

Упрочнение и легирование твердых растворов

Для этого механизма усиления растворенные атомы одного элемента добавляются к другому, что приводит к появлению либо замещающих, либо межузельных точечных дефектов в кристалле (см. рисунок справа). Растворенные атомы вызывают искажения решетки, которые препятствуют движению дислокаций, увеличивая предел текучести материала. Растворенные атомы имеют вокруг себя поля напряжений, которые могут взаимодействовать с полями дислокаций. Присутствие растворенных атомов придает решетке сжимающие или растягивающие напряжения в зависимости от размера растворенного вещества , которые мешают близлежащим дислокациям, заставляя растворенные атомы действовать как потенциальные барьеры.

Напряжение сдвига, необходимое для перемещения дислокаций в материале, равно:

${\displaystyle \Delta \tau =Gb{\sqrt {c}}\epsilon ^{3/2}}$

где — концентрация растворенного вещества, — деформация материала, вызванная растворенным веществом. ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle \epsilon }$

Увеличение концентрации атомов растворенного вещества увеличит предел текучести материала, но существует ограничение на количество добавляемого растворенного вещества, и следует посмотреть на фазовую диаграмму материала и сплава, чтобы убедиться, что не образуется вторая фаза.

В общем, упрочнение твердого раствора зависит от концентрации растворенных атомов, модуля сдвига растворенных атомов, размера растворенных атомов, валентности растворенных атомов (для ионных материалов) и симметрии поля напряжений растворенных атомов. Величина упрочнения выше для несимметричных полей напряжений, поскольку эти растворенные атомы могут взаимодействовать как с краевыми, так и с винтовыми дислокациями, тогда как симметричные поля напряжений, которые вызывают только изменение объема, но не изменение формы, могут взаимодействовать только с краевыми дислокациями.

Рисунок 2: Схема, иллюстрирующая, как дислокации могут взаимодействовать с частицей. Она может либо прорезать частицу, либо огибать ее и создавать дислокационную петлю, перемещаясь по частице.

Дисперсионное твердение

В большинстве бинарных систем сплавление выше концентрации, заданной фазовой диаграммой, приведет к образованию второй фазы. Вторая фаза также может быть создана путем механической или термической обработки. Частицы, из которых состоят осадки второй фазы, действуют как точки закрепления аналогично растворенным веществам, хотя частицы не обязательно являются отдельными атомами.

Дислокации в материале могут взаимодействовать с атомами преципитата одним из двух способов (см. Рисунок 2). Если атомы преципитата малы, дислокации будут прорезать их. В результате новые поверхности (b на рисунке 2) частицы будут подвергаться воздействию матрицы, и энергия на границе раздела частица-матрица увеличится. Для более крупных частиц преципитата будет происходить петлеобразование или изгибание дислокаций, что приведет к удлинению дислокаций. Следовательно, при критическом радиусе около 5 нм дислокации будут предпочтительно пересекать препятствие, в то время как при радиусе 30 нм дислокации будут легко изгибаться или образовывать петли, чтобы преодолеть препятствие.

Математические описания следующие:

Для изгиба частиц- ${\displaystyle \Delta \tau ={Gb \over L-2r}}$

Для резки частиц- ${\displaystyle \Delta \tau ={\gamma \pi r \over bL}}$

Рисунок 3: Схема, иллюстрирующая концепцию скопления дислокаций и то, как это влияет на прочность материала. Материал с большим размером зерна способен накапливать больше дислокаций, что приводит к большей движущей силе для перемещения дислокаций из одного зерна в другое. Таким образом, для перемещения дислокации из большего зерна в меньшее нужно приложить меньше силы, чем из меньшего, что приводит к тому, что материалы с меньшими зернами демонстрируют более высокий предел текучести.

Дисперсионное укрепление

Дисперсионное упрочнение — это тип упрочнения частиц, при котором некогерентные выделения притягивают и закрепляют дислокации. Эти частицы обычно крупнее, чем те, что при дисперсионном упрочнении Оровона, обсуждавшемся выше. Эффект дисперсионного упрочнения эффективен при высоких температурах, тогда как дисперсионное упрочнение от термической обработки обычно ограничивается температурами, значительно более низкими, чем температура плавления материала. ^[7] Одним из распространенных типов дисперсионного упрочнения является оксидное дисперсионное упрочнение .

Укрепление границ зерен

В поликристаллическом металле размер зерна оказывает огромное влияние на механические свойства. Поскольку зерна обычно имеют различную кристаллографическую ориентацию, возникают границы зерен. При деформации будет иметь место скольжение. Границы зерен выступают в качестве препятствия для движения дислокаций по следующим двум причинам:

1. Дислокация должна изменить направление своего движения из-за различной ориентации зерен. ^[4]
2. Разрыв плоскостей скольжения от зерна один к зерну два. ^[4]

Напряжение, необходимое для перемещения дислокации из одного зерна в другое с целью пластической деформации материала, зависит от размера зерна. Среднее количество дислокаций на зерно уменьшается с уменьшением среднего размера зерна (см. рисунок 3). Меньшее количество дислокаций на зерно приводит к меньшему дислокационному «давлению», создаваемому на границах зерен. Это затрудняет перемещение дислокаций в соседние зерна. Это соотношение называется соотношением Холла-Петча и может быть математически описано следующим образом:

${\displaystyle \sigma _{y}=\sigma _{y,0}+{k \over {d^{x}}}}$,

где — константа, — средний диаметр зерна, — исходный предел текучести. ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \sigma _{y,0}}$

Тот факт, что предел текучести увеличивается с уменьшением размера зерна, сопровождается оговоркой, что размер зерна не может быть уменьшен бесконечно. По мере уменьшения размера зерна образуется больше свободного объема, что приводит к несоответствию решетки. Ниже примерно 10 нм границы зерен будут стремиться скользить; явление, известное как зернограничное скольжение . Если размер зерна становится слишком маленьким, становится сложнее разместить дислокации в зерне, и напряжение, необходимое для их перемещения, уменьшается. До недавнего времени было невозможно производить материалы с размером зерна менее 10 нм, поэтому открытие того, что прочность уменьшается ниже критического размера зерна, все еще находит новые применения.

Трансформационное упрочнение

Этот метод закалки применяется для сталей.

Высокопрочные стали обычно делятся на три основные категории, классифицируемые по используемому механизму упрочнения. 1- стали, упрочненные твердым раствором (сталь Rephos) 2- стали с измельченным зерном или высокопрочные низколегированные стали (HSLA) 3- стали, упрочненные трансформацией

Трансформационно-упрочненные стали являются третьим типом высокопрочных сталей. Эти стали используют преимущественно более высокие уровни C и Mn вместе с термической обработкой для повышения прочности. Готовый продукт будет иметь дуплексную микроструктуру феррита с различными уровнями вырожденного мартенсита. Это позволяет получать различные уровни прочности. Существует три основных типа трансформационно-упрочненных сталей. Это двухфазные (DP), пластичные, индуцированные трансформацией (TRIP), и мартенситные стали.

Процесс отжига для двухфазных сталей состоит в том, что сначала сталь выдерживают в температурном диапазоне альфа + гамма в течение определенного периода времени. В течение этого времени C и Mn диффундируют в аустенит, оставляя феррит большей чистоты. Затем сталь закаливают, так что аустенит превращается в мартенсит, а феррит остается при охлаждении. Затем сталь подвергают циклу отпуска, чтобы обеспечить некоторый уровень распада мартенсита. Контролируя количество мартенсита в стали, а также степень отпуска, можно контролировать уровень прочности. В зависимости от обработки и химии уровень прочности может варьироваться от 350 до 960 МПа.

TRIP-стали также используют C и Mn, наряду с термической обработкой, чтобы сохранить небольшое количество аустенита и бейнита в ферритной матрице. Термическая обработка для TRIP-сталей снова включает отжиг стали в области a + g в течение периода времени, достаточного для того, чтобы C и Mn диффундировали в аустенит. Затем сталь закаливают до точки выше начальной температуры мартенсита и выдерживают там. Это позволяет сформировать бейнит, продукт распада аустенита. В то время как при этой температуре большему количеству C разрешается обогащать остаточный аустенит. Это, в свою очередь, снижает начальную температуру мартенсита до уровня ниже комнатной температуры. После окончательной закалки метастабильный аустенит сохраняется в преимущественно ферритной матрице вместе с небольшим количеством бейнита (и других форм распавшегося аустенита). Такое сочетание микроструктур имеет дополнительные преимущества в виде более высокой прочности и устойчивости к образованию шейки во время формовки. Это обеспечивает большие улучшения в формуемости по сравнению с другими высокопрочными сталями. По сути, по мере того, как TRIP-сталь формируется, она становится намного прочнее. Прочность на растяжение TRIP-сталей находится в диапазоне 600-960 МПа.

Мартенситные стали также содержат много C и Mn. Они полностью закаливаются до мартенсита во время обработки. Затем мартенситная структура снова закаливается до соответствующего уровня прочности, что добавляет стали жесткости. Прочность на растяжение для этих сталей достигает 1500 МПа.

Механизмы упрочнения в аморфных материалах

Полимер

Полимеры разрушаются посредством разрыва меж- и внутримолекулярных связей; следовательно, химическая структура этих материалов играет огромную роль в повышении прочности. Для полимеров , состоящих из цепей, которые легко скользят друг мимо друга, химическое и физическое сшивание может использоваться для увеличения жесткости и предела текучести. В термореактивных полимерах ( термореактивный пластик ) дисульфидные мостики и другие ковалентные сшивки приводят к образованию жесткой структуры, которая может выдерживать очень высокие температуры. Эти сшивки особенно полезны для повышения прочности на разрыв материалов, которые содержат много свободного объема, склонного к образованию трещин, обычно стекловидных хрупких полимеров. ^[8] В термопластичном эластомере фазовое разделение разнородных мономерных компонентов приводит к объединению твердых доменов в море мягкой фазы, что дает физическую структуру с повышенной прочностью и жесткостью. Если текучесть происходит за счет скольжения цепей друг мимо друга (полосы сдвига), прочность также может быть увеличена путем введения перегибов в полимерные цепи через ненасыщенные углерод-углеродные связи. ^[8]

Добавление наполнителей, таких как волокна, пластинки и частицы, является широко используемым методом для укрепления полимерных материалов. Наполнители, такие как глина, кремний и материалы углеродной сетки, были широко исследованы и использованы в полимерных композитах отчасти из-за их влияния на механические свойства. Эффекты жесткости-ограничения вблизи жестких интерфейсов, таких как между полимерной матрицей и более жесткими материалами-наполнителями, повышают жесткость композитов, ограничивая движение полимерной цепи. ^[9] Это особенно заметно, когда наполнители химически обработаны для сильного взаимодействия с полимерными цепями, увеличивая прикрепление полимерных цепей к интерфейсам наполнителя и, таким образом, дополнительно ограничивая движение цепей от интерфейса. ^[10] Эффекты жесткости-ограничения были охарактеризованы в модельных нанокомпозитах и ​​показывают, что композиты с масштабами длины порядка нанометров резко увеличивают влияние наполнителей на жесткость полимера. ^[11]

Увеличение объемности мономерного звена путем включения арильных колец является еще одним механизмом усиления. Анизотропия молекулярной структуры означает, что эти механизмы в значительной степени зависят от направления приложенного напряжения. В то время как арильные кольца резко увеличивают жесткость вдоль направления цепи, эти материалы все еще могут быть хрупкими в перпендикулярных направлениях. Макроскопическая структура может быть скорректирована для компенсации этой анизотропии . Например, высокая прочность кевлара возникает из-за многослойной макроструктуры, где слои ароматического полимера повернуты относительно своих соседей. При нагрузке под углом к ​​направлению цепи пластичные полимеры с гибкими связями, такие как ориентированный полиэтилен , очень склонны к образованию полос сдвига, поэтому макроскопические структуры, которые размещают нагрузку параллельно направлению вытяжки, увеличивают прочность. ^[8]

Смешивание полимеров является еще одним методом повышения прочности, особенно с материалами, которые показывают растрескивание, предшествующее хрупкому разрушению, такими как атактический полистирол (APS). Например, путем формирования смеси 50/50 APS с полифениленоксидом (PPO), эта тенденция к охрупчиванию может быть почти полностью подавлена, существенно увеличивая прочность на разрыв. ^[8]

Взаимопроникающие полимерные сети (IPN), состоящие из переплетенных сшитых полимерных сетей, которые не связаны друг с другом ковалентно, могут привести к повышению прочности полимерных материалов. Использование подхода IPN налагает совместимость (и, следовательно, макромасштабную однородность) на в противном случае несмешивающиеся смеси, что позволяет смешивать механические свойства. Например, силикон-полиуретановые IPN показывают повышенную прочность на разрыв и изгиб по сравнению с базовыми силиконовыми сетями, сохраняя при этом высокое упругое восстановление силиконовой сети при высоких деформациях. ^[12] Повышенная жесткость также может быть достигнута путем предварительного натяжения полимерных сетей и последующего последовательного формирования вторичной сети внутри деформированного материала. Это использует преимущество анизотропного деформационного упрочнения исходной сети (выравнивание цепей из-за растяжения полимерных цепей) и обеспечивает механизм, посредством которого две сети передают напряжение друг другу из-за наложенной деформации на предварительно деформированную сеть. ^[13]

Стекло

Многие силикатные стекла прочны при сжатии, но слабы при растяжении. Вводя в структуру напряжение сжатия, можно увеличить прочность материала на растяжение. Обычно это делается двумя способами: термической обработкой (закалкой) или химической ванной (с помощью ионного обмена).

В закаленных стеклах воздушные струи используются для быстрого охлаждения верхней и нижней поверхностей размягченной (горячей) стеклянной пластины. Поскольку поверхность охлаждается быстрее, на поверхности остается больше свободного объема, чем в основной массе расплава. Затем сердцевина пластины втягивает поверхность внутрь, что приводит к внутреннему сжимающему напряжению на поверхности. Это существенно увеличивает прочность материала на растяжение, поскольку растягивающие напряжения, действующие на стекло, теперь должны разрешить сжимающие напряжения перед текучестью.

${\displaystyle \sigma _{y=modified}=\sigma _{y,0}+\sigma _{compressive}}$

В качестве альтернативы, при химической обработке стеклянная пластина, обработанная сеткообразователями и модификаторами, погружается в ванну с расплавленной солью, содержащую ионы большего размера, чем те, которые присутствуют в модификаторе. Из-за градиента концентрации ионов должен происходить массоперенос. Поскольку более крупный катион диффундирует из расплавленной соли на поверхность, он заменяет более мелкий ион из модификатора. Более крупный ион, вдавливаясь в поверхность, вносит сжимающее напряжение в поверхность стекла. Распространенным примером является обработка силикатного стекла, модифицированного оксидом натрия, в расплавленном хлориде калия . Примерами химически упрочненного стекла являются Gorilla Glass, разработанное и производимое Corning , Dragontrail компании AGC Inc. и Xensation компании Schott AG .

Композитное усиление

Многие из основных механизмов усиления можно классифицировать на основе их размерности. В 0-D есть упрочнение преципитацией и твердым раствором с упрочняющей структурой частиц, в 1-D есть упрочнение работой/лесом с линейными дислокациями в качестве механизма упрочнения, а в 2-D есть упрочнение границ зерен с поверхностной энергией зеренных интерфейсов, обеспечивающее повышение прочности. Два основных типа композитного усиления, армирование волокнами и ламинарное армирование, попадают в классы 1-D и 2-D соответственно. Анизотропия прочности волокнистого и ламинарного композита отражает эти размерности. Основная идея композитного усиления заключается в объединении материалов с противоположными сильными и слабыми сторонами для создания материала, который передает нагрузку на более жесткий материал, но выигрывает от пластичности и прочности более мягкого материала. ^[14]

Армирование волокнами

Армированные волокнами композиты (FRC) состоят из матрицы одного материала, содержащей параллельно встроенные волокна. Существует два варианта армированных волокнами композитов: один с жесткими волокнами и пластичной матрицей, а другой с пластичными волокнами и жесткой матрицей. Первый вариант представлен стекловолокном, которое содержит очень прочные, но нежные стеклянные волокна, встроенные в более мягкую пластиковую матрицу, устойчивую к разрушению. Последний вариант встречается почти во всех зданиях в виде армированного бетона с пластичными, высокопрочными стальными стержнями, встроенными в хрупкий, высокопрочный на сжатие бетон. В обоих случаях матрица и волокна имеют взаимодополняющие механические свойства, и поэтому полученный композитный материал более практичен для применения в реальном мире.

Для композита, содержащего выровненные жесткие волокна, охватывающие всю длину материала, и мягкую пластичную матрицу, следующие описания дают грубую модель.

Четыре стадии деформации

Состояние армированного волокнами композита под действием растягивающего напряжения вдоль направления волокон можно разложить на четыре стадии от малой деформации до большой деформации. Поскольку напряжение параллельно волокнам, деформация описывается условием изострейнинга, т. е. волокно и матрица испытывают одинаковую деформацию. На каждой стадии композитное напряжение ( ) задается через объемные доли волокна и матрицы ( ), модули Юнга волокна и матрицы ( ), деформацию композита ( ) и напряжение волокна и матрицы, считанное с кривой зависимости деформации от напряжения ( ). ${\displaystyle \sigma _{c}}$ ${\displaystyle V_{f},V_{m}}$ ${\displaystyle E_{f},E_{m}}$ ${\displaystyle \epsilon _{c}}$ ${\displaystyle \sigma _{f}(\epsilon _{c}),\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

1. И волокно, и композит остаются в режиме упругой деформации. На этом этапе мы также отмечаем, что модуль Юнга композита представляет собой простую взвешенную сумму двух компонентных модулей.

   ${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\epsilon _{c}E_{f}+V_{m}\epsilon _{c}E_{m}}$ ^[14]

   ${\displaystyle E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m}}$ ^[14]

2. Волокно остается в упругом состоянии, но матрица поддается деформации и пластически деформируется.

   ${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\epsilon _{c}E_{f}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$ ^[14]

3. И волокно, и композит поддаются пластической деформации. На этом этапе часто наблюдается значительная деформация Пуассона, которая не учитывается в приведенной ниже модели.

   ${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\epsilon _{c})+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$ ^[14]

4. Волокно ломается, в то время как матрица продолжает пластически деформироваться. Хотя в реальности сломанные части волокна все еще вносят определенный вклад в прочность, они исключены из этой простой модели.

   ${\displaystyle \sigma _{c}\approx V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$^[14]

Предел прочности

Из-за неоднородной природы FRC они также характеризуются несколькими значениями предела прочности на разрыв (TS), по одному для каждого компонента. Учитывая предположения, изложенные выше, первое значение предела прочности на разрыв будет соответствовать разрушению волокон с некоторой поддержкой прочности матрицы на пластическую деформацию, а второе — разрушению матрицы.

${\displaystyle TS_{1}=V_{f}TS_{f}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$ ^[14]

${\displaystyle TS_{2}=V_{m}TS_{m}}$ ^[14]

Анизотропия (эффекты ориентации)

В результате вышеупомянутой размерности (1-D) армирования волокнами наблюдается значительная анизотропия его механических свойств. Следующие уравнения моделируют прочность на растяжение FRC как функцию угла несоосности ( ) между волокнами и приложенной силой, напряжения в параллельном и перпендикулярном, или и ^o , случаях ( ), и прочность матрицы на сдвиг ( ). ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \theta =0}$ ${\displaystyle 90}$ ${\displaystyle \ \sigma _{||},\sigma _{\perp }}$ ${\displaystyle \tau _{my}}$

Малый угол смещения (продольный перелом)

Угол достаточно мал, чтобы обеспечить передачу нагрузки на волокна и предотвратить расслоение волокон , а несоосные образцы напряжения распространяются на немного большую площадь поперечного сечения волокна, поэтому прочность волокна не только сохраняется, но и фактически увеличивается по сравнению с параллельным случаем.

${\displaystyle TS(\theta )={\frac {\sigma _{||}}{\cos ^{2}(\theta )}}}$ ^[14]

Значительный угол смещения (разрушение при сдвиге)

Угол достаточно велик, чтобы нагрузка не передавалась эффективно на волокна, а матрица испытывала достаточную деформацию, ведущую к разрушению.

${\displaystyle TS(\theta )={\frac {\tau _{my}}{\sin(\theta )\cos(\theta )}}}$ ^[14]

Угол смещения, близкий к перпендикулярному (поперечный перелом)

Угол близок к 90 ^o, поэтому большая часть нагрузки остается в матрице, и, таким образом, преобладающим условием разрушения является поперечный разрыв матрицы при растяжении. Это можно рассматривать как дополнение к случаю малого угла, с похожей формой, но с углом . ${\displaystyle 90-\theta }$

${\displaystyle TS(\theta )={\frac {\sigma _{\perp }}{\sin ^{2}(\theta )}}}$ ^[14]

Ламинарное армирование

Приложения

Усиление материалов полезно во многих областях применения. Основное применение укрепленных материалов — строительство. Чтобы иметь более прочные здания и мосты, необходимо иметь прочный каркас, который может выдерживать высокую нагрузку на растяжение или сжатие и противостоять пластической деформации. Стальной каркас, используемый для строительства здания, должен быть максимально прочным, чтобы он не прогибался под всем весом здания. Полимерные кровельные материалы также должны быть прочными, чтобы крыша не прогибалась, когда на ней скапливается снег.

В настоящее время также проводятся исследования по повышению прочности металлических материалов путем добавления полимерных материалов, таких как связанный полимер, армированный углеродным волокном (CFRP)[1].

Текущие исследования

Исследования с использованием моделирования молекулярной динамики

Метод молекулярной динамики (МД) широко применяется в материаловедении, поскольку он может предоставить информацию о структуре, свойствах и динамике в атомном масштабе, которую нельзя легко разрешить с помощью экспериментов. Фундаментальный механизм моделирования МД основан на классической механике, из которой мы знаем, что сила, действующая на частицу, вызвана отрицательным градиентом потенциальной энергии относительно положения частицы. Поэтому стандартная процедура проведения моделирования МД заключается в разделении времени на дискретные временные шаги и многократном решении уравнений движения на этих интервалах для обновления положений и энергий частиц. ^[15] Прямое наблюдение за атомными расположениями и энергетикой частиц в атомном масштабе делает его мощным инструментом для изучения микроструктурной эволюции и механизмов упрочнения.

Укрепление границ зерен

Были проведены обширные исследования различных механизмов укрепления с использованием моделирования МД. Эти исследования раскрывают микроструктурную эволюцию, которую нельзя легко наблюдать из эксперимента или предсказать с помощью упрощенной модели. Хан и др. исследовали механизм укрепления границ зерен и влияние размера зерна в нанокристаллическом графене с помощью серии моделирования МД. ^[16] Предыдущие исследования наблюдали непоследовательную зависимость прочности графена от размера зерна в масштабе длины нм, и выводы остались неясными. Поэтому Хан и др. использовали моделирование МД для непосредственного наблюдения за структурной эволюцией графена с наноразмерными зернами. Образцы нанокристаллического графена были получены со случайными формами и распределением для моделирования хорошо отожженных поликристаллических образцов. Затем образцы были нагружены одноосным растягивающим напряжением, и моделирование проводилось при комнатной температуре. Уменьшая размер зерна графена, Хан и др. наблюдали переход от обратного псевдо-поведения Холла-Петча к псевдо-поведению Холла-Петча, а критический размер зерна составляет 3,1 нм. На основе расположения и энергетики моделируемых частиц обратное псевдо-поведение Холла-Петча можно объяснить созданием участков концентрации напряжений из-за увеличения плотности стыков границ зерен. Затем трещины преимущественно зарождаются на этих участках, и прочность снижается. Однако, когда размер зерна ниже критического значения, концентрация напряжений на стыках границ зерен уменьшается из-за отмены напряжений между 5 и 7 дефектами. Эта отмена помогает графену выдерживать растягивающую нагрузку и демонстрировать псевдо-поведение Холла-Петча. Это исследование объясняет предыдущие противоречивые экспериментальные наблюдения и обеспечивает глубокое понимание механизма укрепления границ зерен нанокристаллического графена, которое не может быть легко получено ни из экспериментов in-situ, ни из экспериментов ex-situ.

Стремительное укрепление

Также были проведены исследования механизмов упрочнения преципитатов в МД. Шим и др. применили моделирование МД для изучения эффектов упрочнения преципитатов наноразмерной объемно-центрированной кубической (ОЦК) меди на гранецентрированной кубической (ГЦК) меди. ^[17] Как обсуждалось в предыдущем разделе, эффекты упрочнения преципитатов вызваны взаимодействием между дислокациями и преципитатами. Поэтому характеристики дислокации играют важную роль в эффектах упрочнения. Известно, что винтовая дислокация в ОЦК металлах имеет очень сложные особенности, включая неплоское ядро ​​и асимметрию двойникования-антидвойникования. Это усложняет анализ и моделирование механизма упрочнения, и его нельзя легко обнаружить с помощью электронной микроскопии высокого разрешения. Таким образом, Шим и др. моделировали когерентные преципитаты ОЦК Cu с диаметрами от 1 до 4 нм, внедренные в матрицу ГЦК Fe. Затем вводится винтовая дислокация и приводится в движение для скольжения по плоскости {112} под действием увеличивающегося напряжения сдвига до тех пор, пока она не оторвется от преципитатов. Сдвиговое напряжение, вызывающее отрыв, рассматривается как критический разрешенный сдвиговой стресс (CRSS). Шим и др. наблюдали, что скорость винтовой дислокации в направлении двойникования в 2-4 раза больше, чем в направлении антидвойникования. Сниженная скорость в направлении антидвойникования в основном вызвана переходом в скольжении винтовой дислокации от механизма перегиба к механизму перекрестного перегиба. Напротив, винтовая дислокация преодолевает выделения размером 1-3,5 нм путем сдвига в направлении двойникования. Кроме того, также наблюдалось, что механизм отрыва винтовой дислокации с более крупными, преобразованными выделениями включает аннигиляцию-и-ренуклеацию и петлеобразование Орована в направлении двойникования и антидвойникования соответственно. Чтобы полностью охарактеризовать задействованные механизмы, требуется интенсивный анализ с помощью просвечивающей электронной микроскопии, и обычно трудно дать всестороннюю характеристику.

Упрочнение и легирование твердых растворов

Аналогичное исследование было проведено Чжаном и др. по изучению упрочнения твердого раствора Co, Ru и Re различных концентраций в ГЦК Ni. ^[18] Краевая дислокация была расположена в центре Ni, а ее система скольжения была установлена ​​как <110> {111}. Затем касательное напряжение было приложено к верхней и нижней поверхностям Ni с растворенным атомом (Co, Ru или Re), внедренным в центр при 300 К. Предыдущие исследования показали, что общий вид эффектов размера и модуля не может полностью объяснить упрочнение твердого раствора, вызванное Re в этой системе из-за их малых значений. ^[19] Чжан и др. сделали еще один шаг, чтобы объединить первопринципные расчеты DFT с MD для изучения влияния энергии дефекта упаковки (SFE) на упрочнение, поскольку в этой структуре материала могут легко образовываться частичные дислокации. Результаты моделирования MD показывают, что атомы Re сильно тянутся к движению краевой дислокации, а расчет DFT показывает резкое увеличение SFE, что обусловлено взаимодействием между атомами хозяина и атомами растворенного вещества, расположенными в плоскости скольжения. Кроме того, аналогичные соотношения были обнаружены также в fcc Ni, внедренном с Ru и Co.

Ограничение исследований механизмов усиления методом МД

Эти исследования показывают прекрасные примеры того, как метод МД может помочь в изучении механизмов укрепления и обеспечивает больше информации на атомном уровне. Однако важно отметить ограничения метода.

Для получения точных результатов моделирования МД важно построить модель, которая правильно описывает межатомный потенциал на основе связей. Межатомные потенциалы являются приближениями, а не точными описаниями взаимодействий. Точность описания значительно варьируется в зависимости от системы и сложности формы потенциала. Например, если связь динамическая, что означает, что связь меняется в зависимости от положений атомов, требуется специальный межатомный потенциал, чтобы моделирование МД давало точные результаты. Поэтому межатомные потенциалы необходимо подгонять на основе связей. В материаловедении обычно используются следующие модели межатомного потенциала: потенциал Борна-Майера, потенциал Морзе, потенциал Леннарда-Джонса и потенциал Ми. ^[20] Хотя они дают очень похожие результаты для изменения потенциальной энергии относительно положения частицы, в их отталкивающих хвостах есть существенная разница. Эти характеристики позволяют им лучше описывать системы материалов с определенными химическими связями соответственно.

В дополнение к присущим ошибкам в межатомных потенциалах, количество атомов и временных шагов в МД ограничено вычислительной мощностью. В настоящее время общепринято моделировать систему МД с несколькими миллионами атомов, и она даже может достигать моделирования с несколькими миллионами атомов. ^[21] Однако это все еще ограничивает масштаб длины моделирования примерно до микрона. Временные шаги в МД также очень малы, и длительное моделирование даст результаты только в масштабе времени в несколько наносекунд. Чтобы еще больше расширить масштаб времени моделирования, общепринято применять потенциал смещения, который изменяет высоту барьера, тем самым ускоряя динамику. Этот метод называется гипердинамикой. ^[22] Правильное применение этого метода обычно может продлить время моделирования до микросекунд.

Изготовление наноструктур для укрепления материалов

На основе механизма усиления, обсуждавшегося в предыдущем содержании, в настоящее время люди также работают над повышением прочности путем целенаправленного изготовления наноструктур в материалах. Здесь мы представляем несколько репрезентативных методов, включая иерархические наносплетенные структуры, расширяющие предел размера зерна для усиления и дислокационной инженерии.

Иерархические нанодвойниковые структуры

Как упоминалось в предыдущем содержании, препятствие движению дислокаций оказывает большое упрочнение материалам. Наномасштабные двойники – кристаллические области, связанные симметрией, обладают способностью эффективно блокировать движение дислокаций из-за изменения микроструктуры на границе раздела. ^[23] Образование иерархических нанодвойниковых структур доводит эффект препятствия до крайности из-за построения сложной трехмерной нанодвойниковой сети. Таким образом, тонкий дизайн иерархических нанодвойниковых структур имеет большое значение для изобретения материалов со сверхпрочностью. Например, Юэ и др. сконструировали алмазный композит с иерархически нанодвойниковой структурой, манипулируя давлением синтеза. Полученный композит показал более высокую прочность, чем типичные инженерные металлы и керамика.

Расширение предела размера зерна для усиления

Эффект Холла-Петча показывает, что предел текучести материалов увеличивается с уменьшением размера зерна. Однако многие исследователи обнаружили, что нанокристаллические материалы будут размягчаться, когда размер зерна уменьшится до критической точки, что называется обратным эффектом Холла-Петча. Интерпретация этого явления заключается в том, что чрезвычайно мелкие зерна не способны поддерживать скопление дислокаций, что обеспечивает дополнительную концентрацию напряжений в крупных зернах. ^[24] В этот момент механизм упрочнения меняется с упрочнения деформацией, доминируемой дислокациями, на размягчение роста и вращение зерна. Обычно обратный эффект Холла-Петча происходит при размере зерна от 10 нм до 30 нм и затрудняет достижение высокой прочности нанокристаллическими материалами. Чтобы расширить предел размера зерна для упрочнения, препятствие вращению и росту зерна может быть достигнуто путем стабилизации границ зерен. Создание наноламинированной структуры с малоугловыми границами зерен является одним из методов получения сверхмелкозернистых материалов с сверхпрочностью. Лу и др. ^[25] применили очень высокую скорость деформации сдвига с высокими градиентами деформации на верхнем поверхностном слое образца объемного Ni и ввели наноламинированные структуры. Этот материал демонстрирует сверхвысокую твердость, выше, чем любой известный сверхмелкозернистый никель. Исключительная прочность является результатом появления малоугловых границ зерен, которые имеют низкоэнергетические состояния, эффективные для повышения стабильности структуры. Другим методом стабилизации границ зерен является добавление неметаллических примесей. Неметаллические примеси часто агрегируют на границах зерен и обладают способностью влиять на прочность материалов, изменяя энергию границ зерен. Руперт и др. ^[26] провели первопринципное моделирование для изучения влияния добавления обычных неметаллических примесей на энергию границ зерен Σ5 (310) в Cu. Они утверждали, что уменьшение ковалентного радиуса примеси и увеличение электроотрицательности примеси приведет к увеличению энергии границ зерен и дальнейшему укреплению материалов. Например, бор стабилизировал границы зерен, увеличивая плотность заряда между соседними атомами Cu, что улучшило связь между двумя границами зерен.

Дислокационная инженерия

Предыдущие исследования влияния движения дислокаций на упрочнение материалов в основном были сосредоточены на дислокациях высокой плотности, которые эффективны для повышения прочности за счет снижения пластичности. Разработка структур и распределения дислокаций обещает всесторонне улучшить характеристики материала. Растворенные вещества имеют тенденцию агрегироваться на дислокациях и являются перспективными для дислокационной инженерии. Кимура и др. ^[27] провели атомно-зондовую томографию и наблюдали агрегацию атомов ниобия на дислокациях. Энергия сегрегации была рассчитана как почти такая же, как энергия сегрегации границ зерен. То есть, взаимодействие между атомами ниобия и дислокациями препятствовало восстановлению дислокаций и, таким образом, упрочняло материалы. Введение дислокаций с неоднородными характеристиками также можно использовать для упрочнения материала. Лу и др. ^[28] ввели упорядоченные кислородные комплексы в сплав TiZrHfNb. В отличие от традиционного межузельного упрочнения, введение упорядоченных кислородных комплексов повысило прочность сплава без ущерба пластичности. Механизм заключался в том, что упорядоченные кислородные комплексы изменяли режим движения дислокаций с плоского скольжения на волнообразное скольжение и способствовали двойному поперечному скольжению.

Смотрите также

• Укрепление границ зерен
• Усиление осадков
• Упрочнение твердого раствора
• Прочность материалов
• Закалка (металлургия)
• Деформационное упрочнение

Ссылки

1. Дэвидж, Р. В., Механическое поведение керамики, Кембриджская серия по физике твердого тела, (1979)
2. Лоун, Б. Р., Разрушение хрупких твердых тел, Кембриджская серия по физике твердого тела, 2-е изд. (1993)
3. Грин, Д., Введение в механические свойства керамики, Кембриджская серия по физике твердого тела, редакторы Кларк, Д. Р., Суреш, С., Уорд, И. М. (1998)
4. Каллистер, Уильям младший, Материаловедение и инженерия, Введение. John Wiley & Sons, Нью-Йорк, Нью-Йорк (1985)
5. Кульманн-Вильсдорф, Д., «Теория пластической деформации», Materials Science and Engineering A, т. 113, стр. 1-42, июль 1989 г.
6. Soboyejo, Wole O. (2003). "8.4 Упрочнение дислокаций". Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC  300921090.
7. Soboyejo, Wole O. (2003). "8.7 Дисперсионное упрочнение". Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-203-91039-7. OCLC  54091550.
8. Мейерс, Чавла. Механическое поведение материалов. Cambridge University Press. стр. 420-425. 1999
9. Крутьева, М.; Вишневский, А.; Монкенбуш, М.; Виллнер, Л.; Майц, Дж.; Миджангос, К.; Арбе, А.; Колменеро, Дж.; Радулеску, А.; Холдерер, О.; Оль, М.; Рихтер, Д. (2013). "Влияние наноконфайнмента на динамику полимеров: поверхностные слои и интерфазы". Physical Review Letters . 110 (10): 108303. Bibcode :2013PhRvL.110j8303K. doi :10.1103/PhysRevLett.110.108303. hdl : 10261/102483 . PMID  23521308.
10. Лигон-Ауэр, Сэмюэл Кларк; Швентенвейн, Мартин; Горше, Кристиан; Штампфл, Юрген; Лиска, Роберт (2016). «Упрочнение фотоотверждаемых полимерных сеток: обзор». Химия полимеров . 7 (2): 257–286. дои : 10.1039/C5PY01631B.
11. Чжан, Мин; Аскар, Шадид; Торкельсон, Джон М.; Бринсон , Л. Кэтрин (2017). «Градиенты жесткости в модельных нанокомпозитах из стекловидного полимера: сравнение количественной характеристики с помощью флуоресцентной спектроскопии и атомно-силовой микроскопии». Macromolecules . 50 (14): 5447–5458. Bibcode :2017MaMol..50.5447Z. doi :10.1021/acs.macromol.7b00917.
12. Arkles, Barry; Crosby, Jane (1989). «Полисилоксан — термопластичные взаимопроникающие полимерные сети». Silicon-Based Polymer Science. Advances in Chemistry. Vol. 224. pp. 181–199. doi :10.1021/ba-1990-0224.ch010. ISBN 0-8412-1546-4.
13. Сингх, Навин К.; Лессер, Алан Дж. (2010). «Механические и термомеханические исследования двойных сетей на основе термопластичных эластомеров». Журнал полимерной науки, часть B: полимерная физика . 48 (7): 778–789. Bibcode : 2010JPoSB..48..778S. doi : 10.1002/polb.21943.
14. Кортни, Томас Х (1990). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Лонг-Гроув, Иллинойс: Waveland Press Inc.
15. Хейл, Дж. М. (1997). Моделирование молекулярной динамики: элементарные методы . John Wiley & Sons, Inc. стр. 38–42. ISBN 978-0-471-18439-3.
16. Хан, Джихун (2020). «Переход от обратного псевдо Холла-Петча к псевдо Холлу-Петчу в нанокристаллическом графене». Углерод . 161 : 542–549. Bibcode : 2020Carbo.161..542H. doi : 10.1016/j.carbon.2020.01.107. S2CID  214416430.
17. Шим, Джэ-Хёк (2009). «Укрепление наноразмерного bcc-преципитата Cu в bcc-Fe: исследование молекулярной динамики». Materials Transactions . 50 (9): 2229–2234. doi : 10.2320/matertrans.M2009040 .
18. Чжан, Синмин (2013). «Атомистическое моделирование упрочнения твердого раствора в суперсплаве на основе никеля». Computational Materials Science . 68 : 132–137. doi :10.1016/j.commatsci.2012.10.002.
19. Koteski, V. (2008). "Экспериментальное и теоретическое исследование релаксации решетки вокруг тугоплавких атомов в никеле" (PDF) . Acta Materialia . 56 (17): 4601–4607. Bibcode :2008AcMat..56.4601K. doi :10.1016/j.actamat.2008.05.015. S2CID  12903159.
20. Lesar, Richard (2013). Введение в вычислительное материаловедение . Cambridge University Press. С. 82–89. ISBN 978-0-521-84587-8.
21. Раунтри, Синди (2002). «Атомистические аспекты распространения трещин в хрупких материалах: моделирование динамики молекул с использованием многих миллионов атомов». Annual Review of Materials Research . 32 : 377–400. doi :10.1146/annurev.matsci.32.111201.142017.
22. Voter, Arthur (1997). «Гипердинамика: ускоренная молекулярная динамика нечастых событий». Phys. Rev. Lett . 78 (20): 3908. Bibcode : 1997PhRvL..78.3908V. doi : 10.1103/PhysRevLett.78.3908.
23. Юэ, Йонхай и др. «Иерархически структурированный алмазный композит с исключительной прочностью». Nature 582.7812 (2020): 370-374.
24. Карлтон, CE и П. Дж. Феррейра. «Что стоит за обратным эффектом Холла–Петча в нанокристаллических материалах?» Acta Materialia 55.11 (2007): 3749–3756.
25. Лю, XC, HW Чжан и К. Лу. «Сверхтвердая и сверхстабильная нанослоистая структура в никеле, вызванная деформацией». Science 342.6156 (2013): 337-340.
26. Хуан, Чжифэн и др. «Выявление влияния обычных неметаллических примесей на стабильность и прочность границы зерен Σ5 (310) в Cu». Акта Материалия 148 (2018): 110–122.
27. Такахаши, Джун и др. «Прямое наблюдение сегрегации ниобия на дислокациях в стали». Акта Материалия 107 (2016): 415–422.
28. Лей, Чжифэн и др. «Повышенная прочность и пластичность высокоэнтропийного сплава за счет упорядоченных кислородных комплексов». Nature 563.7732 (2018): 546-550.

Внешние ссылки

• Упрочнение границ зерен в оксиде алюминия редкоземельными примесями
• Механизм зернограничного упрочнения сталей
• Инструментарий Matlab с открытым исходным кодом для анализа переноса скольжения через границы зерен