Закалка

В материаловедении упрочнение относится к процессу придания материалу большей устойчивости к распространению трещин. Когда трещина распространяется, связанная с этим необратимая работа в разных классах материалов различна. Таким образом, наиболее эффективные механизмы упрочнения различаются для разных классов материалов. Пластичность вершины трещины важна для упрочнения металлов и длинноцепочечных полимеров. Керамика имеет ограниченную пластичность вершины трещины и в первую очередь полагается на разные механизмы упрочнения.

Закалка металлов

Для случая пластичного материала, такого как металл, эта вязкость обычно пропорциональна напряжению разрушения и деформации, а также длине калибра трещины. Плоская деформационная вязкость в металле определяется по формуле: ^[1]

${\displaystyle G_{\mathrm {I} C}=B\sigma _{yf}\epsilon _{fr}\rho }$

где — вязкость плоской деформации, — константа, учитывающая напряженное состояние, — напряжение течения при растяжении при разрушении, — деформация разрушения при растяжении, — радиус вершины трещины. ${\displaystyle G_{\mathrm {I} C}}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle \sigma _{yf}}$ ${\displaystyle \epsilon _{fr}}$ ${\displaystyle \rho }$

В материале с низким пределом текучести вершина трещины может быть легко затуплена, и образуется больший радиус вершины трещины. Таким образом, в данном металлическом сплаве ударная вязкость в условиях низкой прочности обычно выше, чем в условиях высокой прочности, поскольку для закалки доступно меньше пластичности. Поэтому некоторые критически важные для безопасности структурные детали, такие как сосуды под давлением и трубопроводы для каркасов самолетов из алюминиевого сплава, изготавливаются в относительно низкопрочном варианте. ^[2] Тем не менее, ударная вязкость должна быть улучшена без ущерба для ее прочности в металле. Разработка нового сплава или улучшение его обработки может достичь этой цели.

Разработка нового сплава может быть объяснена различной прочностью нескольких сплавов железа. 18%Ni-мартенситная сталь имеет более высокую прочность, чем мартенситная сталь AISI 4340. В сплаве AISI 4340 интерстициальный углерод существует в ОЦК (объемно-центрированной кубической) матрице и оказывает неблагоприятное влияние на прочность. В 18%Ni-мартенситной стали содержание углерода ниже, а мартенсит упрочнен замещающими атомами Ni. Кроме того, эффекты пластичности, вызванной трансформацией (TRIP), в стали могут обеспечить дополнительную прочность. В TRIP-стали матрица метастабильна и может трансформироваться в мартенсит во время деформации. Работа, связанная с фазовым превращением, способствует повышению прочности. В монолитном стеклянном сплаве Pd–Ag–P–Si–Ge свойства высокого объемного модуля упругости и низкого модуля сдвига приводят к распространению полос сдвига. Эти полосы являются самоограниченными, и прочность улучшается. ^[3]

Металлы можно упрочнить путем улучшения обработки. Обладая высоким сродством к кислороду, титановый сплав может легко поглощать кислород. ^[4] Кислород может способствовать образованию α ₂ фазы. Эти когерентные α ₂ частицы приводят к легкому зарождению трещин и быстрому распространению трещин в пределах плоских полос скольжения. ^[5] Поэтому ударная вязкость титанового сплава снижается. Для минимизации содержания кислорода и повышения ударной вязкости сплава можно использовать технологию многократной вакуумной дуговой плавки (VAR). Аналогичным образом, фосфор в сталях может значительно снизить ударную вязкость. Фосфор может сегрегировать на границе зерен и привести к межзеренному разрушению. ^[6] Если дефосфорация улучшается во время производства стали, сталь будет упрочнена для более низкого содержания фосфора. После соответствующей обработки стали кристаллические зерна и вторые фазы, которые ориентированы вдоль направления прокатки, могут улучшить ударную вязкость материалов путем расслоения, которое может ослабить трехосное напряжение и притупить вершину трещины. ^[7]

Металлы также можно упрочнять методами, описанными ниже для керамики, но эти методы, как правило, оказывают меньшее влияние на упрочнение, чем притупление трещин, вызванное пластичностью.

Закалка керамики

Керамика более хрупкая, чем большинство металлов и пластиков. Необратимая работа, связанная с пластической деформацией, не представлена ​​в керамике. Следовательно, методы, которые повышают прочность керамики, отличаются от металлов. Существует несколько механизмов упрочнения, называемых прогибом трещин, упрочнением микротрещин, упрочнением трансформации и перекрытием трещин.

Общие механизмы закалки

Прогиб трещины

В поликристаллической керамике трещина может распространяться межзеренным способом. Соответствующая необратимая работа на единицу площади равна 2γ-γ _gb , где γ — поверхностная энергия материала, а γ _gb — энергия границ зерен. Хотя необратимая работа уменьшается из-за энергии границ зерен, площадь разрушения увеличивается при межзеренном распространении трещины. Более того, трещина режима II может быть вызвана отклонением от нормальной плоскости разрушения во время межзеренного распространения трещины, что дополнительно повышает прочность керамики. В результате керамика с межзеренным разрушением показывает более высокую прочность, чем керамика с трансзеренным разрушением. В SiC прочность на разрыв составляет ~2-3, если она разрушается трансзеренно, и прочность на разрыв повышается до 10, когда она разрушается межзеренно. ^[8] Механизмы отклонения трещины приводят к повышенной прочности в керамике, демонстрирующей аномальный рост зерна (AGG). Гетерогенные микроструктуры, созданные AGG , образуют материалы, которые можно рассматривать как «композиты in-situ» или «самоукрепляющиеся материалы». ^[9] Отклонения трещин вокруг частиц второй фазы также использовались в подходах механики разрушения для прогнозирования увеличения вязкости разрушения. ^[10] ${\displaystyle MPa\cdot m^{0.5}}$ ${\displaystyle MPa\cdot m^{0.5}}$

Упрочнение микротрещин

Упрочнение микротрещинами означает, что образование микротрещин перед основной трещиной может упрочнить керамику. Дополнительные микротрещины приведут к концентрации напряжения перед основной трещиной. Это приводит к дополнительной необратимой работе, необходимой для распространения трещины. Кроме того, эти микротрещины могут вызывать ответвления трещин, а одна трещина может образовывать несколько трещин. Из-за образования этих трещин необратимая работа увеличивается. Прирост вязкости из-за упрочнения микротрещинами можно выразить как: ^[1] ${\displaystyle G_{C}}$

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong 2r_{c}\sigma _{R}(\Delta \alpha )(\Delta T)V_{f}}$

где — расстояние между микротрещинами и плоскостью разрушения, — остаточное напряжение, — разность коэффициентов теплового расширения между соседними зернами, — разность температур, вызывающая термическую деформацию, — доля зерен, которая связана с микротрещинами в затронутом объеме. В этом уравнении предполагалось, что остаточное напряжение доминирует при зарождении микротрещин, а образование микротрещин вызвано упругой работой. Чтобы замедлить распространение трещин, эти микротрещины должны образовываться во время распространения трещин. Размер зерна должен быть меньше критического размера зерна, чтобы избежать спонтанного образования микротрещин. Расстояние между микротрещиной и плоскостью разрушения должно быть больше размера зерна, чтобы иметь эффект упрочнения. Как наиболее наглядно продемонстрировала Кэтрин Фабер в 1981 году, упрочнение, вызванное включением частиц второй фазы, подверженных микротрещинообразованию, становится заметным для узкого распределения размеров частиц соответствующего размера. ^[11] ${\displaystyle r_{c}}$ ${\displaystyle \sigma _{R}}$ ${\displaystyle \Delta \alpha }$ ${\displaystyle \Delta T}$ ${\displaystyle V_{f}}$

Трансформация ужесточение

Схема трансформационного упрочнения в частично стабилизированном диоксиде циркония

Эффект TRIP обнаружен в частично стабилизированном цирконии. Частично стабилизированный цирконий состоит из тетрагональной фазы при высокой температуре и моноклинной фазы и кубической фазы при более низкой температуре в равновесии. В некоторых компонентах температура начала тетрагонального моноклинного мартенситного превращения ниже комнатной температуры. Поле напряжений вблизи вершины трещины запускает мартенситное превращение со скоростями, которые, как предполагается, приближаются к скорости звука в материале. ^[12] Мартенситное превращение вызывает объемное расширение (объемная/дилатационная деформация) и сдвиговые деформации около 4% и 16% соответственно. Оно прикладывает сжимающее напряжение к вершине трещины, чтобы предотвратить распространение трещины, а также закрывающие тяги в следе трещины. ^[13] С другой точки зрения, работа, связанная с этим фазовым превращением, способствует улучшению ударной вязкости. Прирост ударной вязкости, вызванный трансформационным упрочнением, можно выразить следующим образом: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong 2r_{c}\sigma _{M}\epsilon _{M}V_{f}}$

где - расстояние между границей преобразованной области и плоскостью разрушения, - напряжение, вызывающее мартенситное превращение, - деформация мартенситного превращения, - доля тетрагональных зерен, связанная с микротрещинами в затронутом объеме. Размер тетрагональных частиц должен контролироваться должным образом. Это связано с тем, что слишком большой размер частиц приводит к спонтанному превращению, а слишком маленький размер частиц приводит к очень малому эффекту упрочнения. ${\displaystyle r_{c}}$ ${\displaystyle \sigma _{M}}$ ${\displaystyle \epsilon _{M}}$ ${\displaystyle V_{f}}$

Перекрытие трещин

Когда трещина распространяется нерегулярно, некоторые зерна каждой стороны основной трещины могут выступать в другую сторону. Это приводит к дополнительной работе для полного разрушения. Эта необратимая работа связана с остаточным напряжением, которое составляет около . Приращение вязкости можно выразить как: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong {1 \over 8}\mu \sigma _{R}V_{f}d}$

где — коэффициент трения, — остаточное напряжение, — длина ребра зерна, — доля зерен, связанных с перекрытием трещин. ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle \sigma _{R}}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle V_{f}}$

Существуют и другие подходы к повышению прочности керамики посредством перекрытия трещин. Явление аномального роста зерен , или AGG, можно использовать для придания микроструктуры перекрытия трещин в однофазном керамическом материале. Наличие аномально длинных зерен служит для перекрытия следов трещин и препятствует их раскрытию. ^[14] Это было продемонстрировано в карбиде кремния и нитриде кремния . Аномально большие зерна также могут служить для упрочнения керамики посредством механизмов отклонения трещин. Формирование текстурированной внутренней структуры в керамике может использоваться в качестве подхода к упрочнению. ^[15] Материалы из карбида кремния упрочняются с помощью этого подхода. ^[16] Поскольку площадь поверхности раздела увеличивается из-за внутренней структуры, необратимая работа разрушения увеличивается в этом материале.

Схематические композиты, армированные волокнами

Упрочнение композитов

В композитах с металлической матрицей (MMC) добавки укрепляют металл и снижают ударную вязкость материала. В композитах с керамической матрицей (CMC) добавки могут упрочнять материалы, но не усиливать их. в то же время. В композитах, армированных углеродным волокном (CFRP), графитовые волокна могут упрочнять и укреплять полимер одновременно. В объемных композитах с металлическим стеклом (BMG) добавляются дендриты, чтобы затормозить движение полосы сдвига, и ударная вязкость улучшается. ^[17]

Если волокна имеют большую деформацию разрушения, чем матрица, композит упрочняется за счет перекрытия трещин. Ударная вязкость композита может быть выражена как: ^[1]

${\displaystyle G_{C}=V_{m}G_{m}+V_{f}G_{f}+\Delta G_{C}}$

где и - ударная вязкость матрицы и волокон соответственно, а - объем матрицы и волокон соответственно, - дополнительная ударная вязкость, вызванная мостиковым упрочнением. После распространения трещины по волокну волокно удлиняется и вытягивается из матрицы. Эти процессы соответствуют пластической деформации и работе вытягивания и способствуют упрочнению композита. ${\displaystyle G_{m}}$ ${\displaystyle G_{f}}$ ${\displaystyle V_{m}}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle \Delta G_{C}}$

Когда волокно хрупкое, работа на вытягивание доминирует над необратимой работой, способствующей повышению прочности. Увеличение прочности, вызванное работой на вытягивание, можно выразить как: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}={1 \over 32}{\beta ^{2}\sigma _{f}^{2}V_{f}d \over \tau }}$

где — отношение длины отслоения к критической длине, — прочность волокон, — ширина волокна, — доля волокон, — напряжение трения на границе раздела. Из уравнения следует, что более высокая объемная доля, более высокая прочность волокон и более низкое напряжение на границе раздела могут обеспечить лучший эффект упрочнения. ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \sigma _{f}}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle \tau }$

Перекрытие трещин вязкой фазы

Когда волокно пластично, работа пластической деформации в основном способствует улучшению прочности. Дополнительная прочность, привносимая пластической деформацией, может быть выражена как: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}=C\sigma _{y}\epsilon _{f}V_{f}l_{d}}$

где — константа между 1,5-6, — напряжение течения волокон, — деформация разрушения волокон, — доля волокон, — длина отслоения. Из уравнения можно обнаружить, что более высокое напряжение течения и большая длина отслоения могут улучшить закалку. Однако большая длина отслоения обычно приводит к снижению напряжения течения из-за потери ограничения для пластической деформации. ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \sigma _{y}}$ ${\displaystyle \epsilon _{y}}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle l_{d}}$

Прочность композита с пластичной фазовой закалкой также может быть показана с использованием коэффициента интенсивности напряжений, путем линейной суперпозиции матрицы и перекрытия трещин на основе решений Тада. ^[18] Эта модель может предсказать поведение мелкомасштабного перекрытия (длина перекрытия << длина трещины) в условиях монотонной нагрузки, но не крупномасштабного перекрытия. ^{[19] [20]} ${\displaystyle K_{c}}$

${\displaystyle K_{c}=K_{m}+\Delta K_{b}=K_{m}+{\sqrt {\frac {2}{\pi }}}\alpha V_{f}\int _{0}^{L}{\frac {\sigma _{y}}{\sqrt {x}}}dx}$

Несколько механизмов повышения прочности эпоксидных смол

где — вязкость разрушения матрицы, — упрочнение за счет перекрытия трещин, — длина перемычки, — расстояние за вершиной трещины, — одноосный предел текучести, — коэффициент ограничения/трехосности. ${\displaystyle K_{m}}$ ${\displaystyle \Delta K_{b}}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \sigma _{y}}$ ${\displaystyle \alpha }$

Упрочнение полимеров

Механизмы упрочнения полимеров аналогичны тем, которые обсуждались выше. Для объяснения упрочнения полимеров используется всего несколько примеров. В ударопрочном полистироле (HIPS) эластомерная дисперсия используется для улучшения сопротивления распространению трещин. Когда распространяется основная трещина, вокруг эластомерной дисперсии выше или ниже плоскости разрушения образуются микротрещины. HIPS упрочняется дополнительной работой, связанной с образованием микротрещин. В эпоксидных смолах стеклянные частицы используются для улучшения ударной вязкости материалов. Механизм упрочнения аналогичен прогибу трещины. Добавление пластификаторов в полимеры также является хорошим способом улучшения его ударной вязкости. ^{[1] [21]}

Ссылки

1. Кортни, TH (2005). Механическое поведение материалов. США: Waveland Press, Inc.
2. Ритчи, Роберт О. (2011). «Конфликты между прочностью и выносливостью». Nature Materials . 10 (11): 817–822. Bibcode : 2011NatMa..10..817R. doi : 10.1038/nmat3115. ISSN  1476-4660. PMID  22020005.
3. Ритчи, Роберт О.; Джонсон, Уильям Л.; Хофманн, Дуглас К.; Шрамм, Джозеф П.; Гарретт, Гленн; Лони, Максимилиан Э.; Деметриу, Мариос Д. (2011). «Стекло, устойчивое к повреждениям». Nature Materials . 10 (2): 123–128. Bibcode :2011NatMa..10..123D. doi :10.1038/nmat2930. ISSN  1476-4660. PMID  21217693.
4. Нойбергер, Б. В.; Оберсон, ПГ; Анкем, С. (01.05.2011). «Влияние иттрия на дуговые сварки вольфрамовым электродом Ti-5111». Metallurgical and Materials Transactions A. 42 ( 5): 1296–1309. Bibcode : 2011MMTA...42.1296N. doi : 10.1007/s11661-010-0532-8. ISSN  1543-1940. S2CID  137276443.
5. Лютьеринг, Герд; Уильямс, Джеймс С. (2007). Инженерные материалы и процессы: титан . Нью-Йорк: Springer. С. 221.
6. Bandyopadhyay, N.; Briant, CL (1982). «Влияние фосфора на межкристаллитное щелочное растрескивание стали NiCr». Коррозия . 38 (3): 125–129. doi :10.5006/1.3579264. ISSN  0010-9312.
7. Цузаки, Канеаки; Инь, Фусин; Иноуэ, Таданобу; Кимура, Юдзи (23 мая 2008 г.). «Обратная температурная зависимость ударной вязкости стали со сверхмелкозернистой структурой». Наука . 320 (5879): 1057–1060. Бибкод : 2008Sci...320.1057K. дои : 10.1126/science.1156084. ISSN  0036-8075. PMID  18497294. S2CID  7119752.
8. Gilbert, CJ; Cao, JJ; Jonghe, LC de; Ritchie, RO (1997). «Поведение кривой сопротивления росту трещин в карбиде кремния: мелкие и длинные трещины». Журнал Американского керамического общества . 80 (9): 2253–2261. doi :10.1111/j.1151-2916.1997.tb03115.x. ISSN  1551-2916.
9. Влияние роста зерен нитрида кремния B на прочность, модуль Вейбулла и вязкость разрушения. Журнал Американского керамического общества.
10. Faber, KT; Evans, AG (1983-04-01). «Процессы прогиба трещины — I. Теория». Acta Metallurgica . 31 (4): 565–576. doi :10.1016/0001-6160(83)90046-9. ISSN  0001-6160.
11. Эванс, АГ; Фабер, КТ (1981). «Упрочнение керамики кольцевыми микротрещинами». Журнал Американского керамического общества . 64 (7): 394–398. doi :10.1111/j.1151-2916.1981.tb09877.x. ISSN  0002-7820.
12. Грин, Дэвид Дж. (2018). Трансформационное упрочнение керамики. Милтон: CRC Press. стр. 14. ISBN 978-1-351-08585-4. OCLC  1023540708.
13. Soboyejo, Wole O. (2003). "13.4 Трансформационное упрочнение". Механические свойства конструкционных материалов. Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC  300921090.
14. Аномальный рост зерен в журнале Journal of Crystal Growth 2012, том 359, страницы 83-91
15. Тредвей, Уильям К. (1998-11-13). "Упрочненная керамика". Science . 282 (5392): 1275. doi :10.1126/science.282.5392.1275. ISSN  0036-8075. S2CID  135692500.
16. Нагасава, Тосио; Котоку, Ясухико; Хогами, Тошихико; Мацунага, Кендзи; Кадзи, Синдзи; Исикава, Тошихиро (13 ноября 1998 г.). «Прочный, теплопроводящий композит карбида кремния с высокой прочностью до 1600 ° C на воздухе». Наука . 282 (5392): 1295–1297. Бибкод : 1998Sci...282.1295I. дои : 10.1126/science.282.5392.1295. ISSN  0036-8075. ПМИД  9812889.
17. Джонсон, Уильям Л.; Деметриу, Мариос Д.; Линд, Мэри-Лора; Дуан, Ганг; Вист, Аарон; Су, Джин-Ю; Хофманн, Дуглас К. (2008). «Проектирование композитов на основе металлической стеклянной матрицы с высокой прочностью и пластичностью при растяжении». Nature . 451 (7182): 1085–1089. Bibcode :2008Natur.451.1085H. doi :10.1038/nature06598. ISSN  1476-4687. PMID  18305540. S2CID  205212209.
18. Тада, Хироши; Париж, ПК; Ирвин, Джордж Ранкин (2000). Справочник по анализу напряжений трещин (3-е изд.). Нью-Йорк: ASME Press. ISBN 0-7918-0153-5. OCLC  43287080.
19. Soboyejo, Wole O. (2003). "13.5 Перекрытие трещин". Механические свойства конструкционных материалов. Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC  300921090.
20. Будянский, Бернард; Амазиго, Джон К.; Эванс, Энтони Г. (1988). «Перекрытие мелких трещин и вязкость разрушения керамики, армированной частицами». Журнал механики и физики твердого тела . 36 (2): 167–187. Bibcode : 1988JMPSo..36..167B. doi : 10.1016/s0022-5096(98)90003-5. ISSN  0022-5096.
21. Зейди, Махди; Ким, Чун ИЛ; Парк, Чул Б. (2021). «Роль интерфейса в механизмах упрочнения и разрушения термопластичных нанокомпозитов, армированных нанофибриллированными каучуками». Nanoscale . 13 (47): 20248–20280. doi :10.1039/D1NR07363J. ISSN  2040-3372. PMID  34851346. S2CID  244288401.