Упрочняющие механизмы материалов

Были разработаны методы изменения предела текучести , пластичности и ударной вязкости как кристаллических , так и аморфных материалов. Эти механизмы упрочнения дают инженерам возможность адаптировать механические свойства материалов для различных применений. Например, благоприятные свойства стали являются результатом внедрения углерода решетку в железа . Латунь , бинарный сплав меди цинка и , имеет превосходные механические свойства по сравнению с составляющими его металлами благодаря упрочнению раствора. Наклеп (например, удары раскаленного куска металла по наковальне) также веками использовался кузнецами для внесения дислокаций в материалы, повышая их предел текучести .

Основное описание

Пластическая деформация возникает, когда большое количество дислокаций перемещается и размножается, что приводит к макроскопической деформации. Другими словами, именно движение дислокаций в материале приводит к деформации. Если мы хотим улучшить механические свойства материала (т.е. увеличить предел текучести и предел прочности ), 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 более прочным, чем раньше.

Напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать движение дислокации, на порядки ниже теоретического напряжения, необходимого для смещения всей плоскости атомов, поэтому такой способ снятия напряжений энергетически выгоден. Следовательно, твердость и прочность (как текучесть, так и растяжение) критически зависят от легкости движения дислокаций. Точки закрепления или места в кристалле, которые препятствуют движению дислокаций. можно вводить в решетку для уменьшения подвижности дислокаций, тем самым повышая механическую прочность. Дислокации могут быть закреплены из-за взаимодействия поля напряжений с другими дислокациями и частицами растворенного вещества, создавая физические барьеры для выделений второй фазы, образующихся вдоль границ зерен. Существует пять основных механизмов упрочнения металлов, каждый из которых представляет собой способ предотвратить движение и распространение дислокации или сделать ее движение энергетически невыгодным. Для материала, упрочненного 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 по таким механизмам, как хрупкое разрушение, образование трещин и образование полос сдвига . В этих системах механизмы упрочнения не связаны с дислокациями, а скорее состоят из модификаций химической структуры и обработки составляющего материала.

Прочность материалов не может увеличиваться бесконечно. Каждый из механизмов, объясненных ниже, предполагает некоторый компромисс, из-за которого другие свойства материала ухудшаются в процессе упрочнения.

Упрочняющие механизмы в металлах

Упрочнение

Основная статья: Упрочнение работы

Основным видом, ответственным за наклеп, являются дислокации. Дислокации взаимодействуют друг с другом, создавая в материале поля напряжений. Взаимодействие между полями напряжений дислокаций может затруднять движение дислокаций за счет отталкивающих или притягивающих взаимодействий. Кроме того, если две дислокации пересекаются, происходит запутывание линий дислокаций, вызывающее образование выступа, препятствующего движению дислокаций. Эти запутывания и неровности действуют как точки закрепления, препятствующие движению дислокаций. Поскольку оба этих процесса более вероятны при наличии большего количества дислокаций, существует корреляция между плотностью дислокаций и прочностью на сдвиг.

Упрочнение сдвигом, обеспечиваемое дислокационными взаимодействиями, можно описать следующим образом:

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

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

Плотность дислокаций определяется как длина линии дислокаций в единице объема:

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

Аналогично, осевое упрочнение будет пропорционально плотности дислокаций.

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

Это соотношение не применяется, когда дислокации образуют клеточные структуры. При формировании клеточных структур средний размер клеток определяет эффект укрепления.

Увеличение плотности дислокаций увеличивает предел текучести, что приводит к более высокому напряжению сдвига, необходимому для перемещения дислокаций. Этот процесс легко наблюдать при обработке материала (при холодной обработке металлов). Теоретически прочность материала без дислокаций будет чрезвычайно высокой ( $\sigma \approx {\frac {G}{10}}$), поскольку пластическая деформация потребует одновременного разрыва многих связей. Однако при умеренных значениях плотности дислокаций около 10 ⁷ -10 ⁹ дислокаций/м ² , материал будет демонстрировать значительно меньшую механическую прочность. Аналогично, резиновый ковер легче перемещать по поверхности, распространяя по нему небольшую рябь, чем волоча весь ковер. 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 утратил бы кристаллическую структуру.

Это схематично, показывающая, как решетка деформируется из-за добавления растворенного вещества внедрения. Обратите внимание на деформацию решетки, которую вызывают атомы растворенного вещества. Межузельным растворенным веществом может быть, например, углерод в железе. Атомы углерода в междоузлиях решетки создают поле напряжений, препятствующее движению дислокаций.

Это схематично, показывающая, как решетка деформируется при добавлении растворенного вещества замещения. Обратите внимание на деформацию решетки, которую вызывает атом растворенного вещества.

Упрочнение и легирование твердым раствором

Основная статья: Усиление твердым раствором

В рамках этого механизма усиления атомы растворенного вещества одного элемента добавляются к другому, что приводит к точечным дефектам замещения или междоузельных дефектов в кристалле (см. Рисунок справа). Атомы растворенного вещества вызывают искажения решетки, которые препятствуют движению дислокаций, увеличивая предел текучести материала. Атомы растворенных веществ имеют вокруг себя поля напряжений, которые могут взаимодействовать с полями напряжений дислокаций. Присутствие атомов растворенного вещества придает решетке сжимающие или растягивающие напряжения, в зависимости от размера растворенного вещества , которые мешают близлежащим дислокациям, заставляя атомы растворенного вещества действовать как потенциальные барьеры.

Касательное напряжение, необходимое для перемещения дислокаций в материале, равно:

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

где $c$ концентрация растворенного вещества и $\epsilon$ – это нагрузка на материал, вызванная растворенным веществом.

Увеличение концентрации атомов растворенного вещества приведет к увеличению предела текучести материала, но существует предел количества растворенного вещества, которое можно добавить, и следует посмотреть на фазовую диаграмму материала и сплава, чтобы убедиться, что вторая фаза не создается.

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

Рисунок 2: Схема, показывающая, как дислокации могут взаимодействовать с частицей. Он может либо прорезать частицу, либо огибать ее и создавать дислокационную петлю при движении над частицей.

Дисперсионное твердение

Основная статья: Усиление осадков

В большинстве бинарных систем легирование выше концентрации, указанной на фазовой диаграмме, приведет к образованию второй фазы. Вторая фаза также может быть создана путем механической или термической обработки. Частицы, составляющие осадки второй фазы, действуют как точки закрепления аналогично растворенным веществам, хотя частицы не обязательно представляют собой отдельные атомы.

Дислокации в материале могут взаимодействовать с атомами осадка одним из двух способов (см. рисунок 2). Если атомы осадка малы, дислокации прорежут их. В результате новые поверхности (b на рисунке 2) частицы будут подвергаться воздействию матрицы, и энергия границы раздела частица-матрица увеличится. Для более крупных частиц выделений может произойти петлеобразование или изгиб дислокаций, что приведет к увеличению длины дислокаций. Следовательно, при критическом радиусе около 5 нм дислокации предпочтительно будут пересекать препятствие, тогда как при радиусе 30 нм дислокации легко изгибаются или образуют петлю, преодолевая препятствие.

Математическое описание следующее:

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

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

Рисунок 3: Схема, примерно иллюстрирующая концепцию скопления дислокаций и то, как оно влияет на прочность материала. Материал с большим размером зерна может накапливать больше дислокаций, что приводит к большей движущей силе для перемещения дислокаций от одного зерна к другому. Таким образом, для перемещения дислокации из более крупного зерна необходимо приложить меньшую силу, чем из меньшего зерна, что приводит к тому, что материалы с меньшими зернами демонстрируют более высокий предел текучести.

Усиление дисперсии

Дисперсионное упрочнение — это тип упрочнения частиц, при котором некогерентные выделения притягивают и закрепляют дислокации. Эти частицы обычно крупнее частиц дисперсионного отверждения Orowon, обсуждавшихся выше. Эффект дисперсионного упрочнения эффективен при высоких температурах, тогда как дисперсионное упрочнение в результате термической обработки обычно ограничивается температурами, намного более низкими, чем температура плавления материала. Одним из распространенных типов дисперсионного упрочнения является оксидное дисперсионное упрочнение .

Усиление границ зерен

Основная статья: Усиление границ зерен

В поликристаллическом металле размер зерна оказывает огромное влияние на механические свойства. Поскольку зерна обычно имеют разную кристаллографическую ориентацию, возникают границы зерен. Во время деформации будет происходить скользящее движение. Границы зерен препятствуют движению дислокаций по следующим двум причинам:

1. Дислокация должна изменить направление своего движения из-за разной ориентации зерен.
2. Разрыв плоскостей скольжения от зерна один к зерну два.

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

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

где $k$ является константой, $d$ средний диаметр зерна и $\sigma _{y,0}$ – исходный предел текучести.

Тот факт, что предел текучести увеличивается с уменьшением размера зерна, сопровождается оговоркой о том, что размер зерна не может уменьшаться бесконечно. По мере уменьшения размера зерна образуется больше свободного объема, что приводит к несоответствию решетки. Вместо этого границы зерен будут иметь тенденцию скользить ниже примерно 10 нм; явление, известное как зернограничное скольжение . Если размер зерна становится слишком маленьким, становится труднее 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 снижается 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 (рефос-стали) 2- мелкозернистые стали или высокопрочные низколегированные стали (HSLA) 3- трансформационно-упрочненные стали

Трансформационно-упрочненные стали относятся к третьему типу высокопрочных сталей. В этих сталях преимущественно используются более высокие уровни C и Mn наряду с термической обработкой для повышения прочности. Готовый продукт будет иметь дуплексную микроструктуру феррита с разной степенью вырождения. мартенсит. Это позволяет варьировать уровень силы. Существует три основных типа трансформационно-упрочненных сталей. Это двухфазные (ДП), стали с пластичностью, вызванной превращением (ТРИП), и мартенситные стали.

Процесс отжига двухфазных сталей заключается в предварительном выдерживании стали в области температур альфа + гамма в течение заданного периода времени. За это время C и Mn диффундируют в аустенит, оставляя феррит большей чистоты. Затем сталь закаливают, чтобы аустенит трансформировался. в мартенсит, а феррит остается при охлаждении. Затем сталь подвергают циклу отпуска, чтобы обеспечить некоторый уровень мартеновского разложения. Контролируя количество мартенсита в стали, а также степень отпуска, можно контролировать уровень прочности. В зависимости от обработка и химия, уровень прочности может колебаться от 350 до 960 МПа.

В стали TRIP также используются C и Mn наряду с термообработкой, чтобы сохранить небольшое количество аустенита и бейнита в ферритной матрице. Термическая обработка TRIP-сталей снова включает отжиг стали в области a + g в течение периода времени, достаточного для диффузии C и Mn. в аустенит. Затем сталь закаливают до температуры, превышающей начальную температуру мартенсита, и выдерживают там. Это позволяет образовывать бейнит — продукт разложения аустенита. При этой температуре большее количество углерода может обогатить остаточный аустенит. Это, в свою очередь, снижает температура начала мартенсита ниже комнатной. При окончательной закалке метастабильный аустенит сохраняется в преимущественно ферритной матрице вместе с небольшими количествами бейнита (и других форм разложившегося аустенита). Такое сочетание микроструктур имеет дополнительные преимущества. Преимущества более высокой прочности и устойчивости к образованию шейки во время формовки. Это обеспечивает значительные улучшения формуемости по сравнению с другими высокопрочными сталями. По сути, по мере формирования стали TRIP она становится намного прочнее. Предел прочности TRIP-сталей находится в пределах 600-960 МПа.

Мартенситные стали также содержат много C и Mn. Во время обработки они полностью закаливаются до мартенсита. Затем мартенситную структуру снова отпускают до соответствующего уровня прочности, что повышает прочность стали. Предел прочности этих сталей достигает 1500 МПа.

Механизмы упрочнения в аморфных материалах

Полимер

Полимеры разрушаются за счет 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 по другу, можно использовать химическое и физическое сшивание для повышения жесткости и предела текучести. В термореактивных полимерах ( термореактивных пластиках ) дисульфидные мостики и другие ковалентные поперечные связи образуют твердую структуру, способную выдерживать очень высокие температуры. Эти поперечные связи особенно полезны для улучшения прочности на разрыв материалов, которые содержат много свободного объема, склонного к растрескиванию, обычно это хрупкие стекловидные полимеры. В термопластическом эластомере фазовое разделение разнородных мономерных компонентов приводит к объединению твердых доменов в море мягкой фазы, в результате чего образуется физическая структура с повышенной прочностью и жесткостью. Если текучесть происходит за счет скольжения цепей друг относительно друга (полосы сдвига), то прочность можно повысить также за счет введения в полимерные цепи изломов через ненасыщенные связи углерод-углерод.

Добавление наполнителей , таких как волокна, пластинки и частицы, является широко используемым методом упрочнения полимерных материалов. Наполнители, такие как глина, диоксид кремния и углеродные сетчатые материалы, широко исследовались и использовались в полимерных композитах, отчасти из-за их влияния на механические свойства. Эффекты ограничения жесткости вблизи жестких границ раздела, например, между полимерной матрицей и более жесткими материалами наполнителя, повышают жесткость композитов за счет ограничения движения полимерной цепи. Это особенно актуально в тех случаях, когда наполнители подвергаются химической обработке для сильного взаимодействия с полимерными цепями, что увеличивает сцепление полимерных цепей с границами раздела наполнителей и, таким образом, еще больше ограничивает движение цепей от границы раздела. Эффекты ограничения жесткости были охарактеризованы в модельных нанокомпозитах и ​​показывают, что композиты с масштабами длины порядка нанометров резко увеличивают влияние наполнителей на жесткость полимера.

Еще одним механизмом упрочнения является увеличение объема мономерного звена за счет включения арильных колец. Анизотропия молекулярной структуры означает , что эти механизмы сильно зависят от направления приложенного напряжения. Хотя арильные кольца резко увеличивают жесткость в направлении цепи, эти материалы все еще могут оставаться хрупкими в перпендикулярных направлениях. Макроскопическую структуру можно настроить, чтобы компенсировать эту анизотропию . Например, высокая прочность кевлара обусловлена ​​многослойной макроструктурой, в которой 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 вытягивания, увеличивают прочность.

Смешивание полимеров — еще один метод повышения прочности, особенно с материалами, которые демонстрируют растрескивание перед хрупким разрушением, например атактический полистирол (APS). Например, при приготовлении смеси АПС с полифениленоксидом (ПФО) в соотношении 50/50 эту тенденцию к охрупчиванию можно практически полностью подавить, существенно увеличивая прочность на излом.

Взаимопроникающие полимерные сети (ВПС), состоящие из переплетающихся сшитых полимерных сетей, которые не связаны друг с другом ковалентно, могут привести к повышению прочности полимерных материалов. Использование подхода IPN обеспечивает совместимость (и, следовательно, макромасштабную однородность) несмешивающихся в противном случае смесей, позволяя смешивать механические свойства. Например, силикон-полиуретановые IPN демонстрируют повышенную прочность на разрыв и изгиб по сравнению с базовыми силиконовыми сетками, сохраняя при этом высокое упругое восстановление силиконовой сетки при высоких нагрузках. Повышенной жесткости также можно достичь за счет предварительного напряжения полимерных сеток и последующего последовательного формирования вторичной сетки внутри напряженного материала. При этом используется преимущество анизотропного деформационного упрочнения исходной сети (выравнивание цепей в результате растяжения полимерных цепей) и обеспечивается механизм, посредством которого две сети передают напряжение друг другу из-за напряжения, приложенного к предварительно напряженной сети.

Стекло

Многие силикатные стекла прочны при сжатии, но слабы при растяжении. Введя в конструкцию напряжение сжатия, можно повысить прочность материала на растяжение. Обычно это делается с помощью двух механизмов: термической обработки (закалки) или химической ванны (путем ионного обмена).

В закаленном стекле воздушные струи используются для быстрого охлаждения верхней и нижней поверхностей размягченной (горячей) плиты стекла. Поскольку поверхность остывает быстрее, на поверхности имеется больше свободного объема, чем в объеме расплава. Затем ядро ​​плиты тянет поверхность внутрь, что приводит к возникновению внутреннего сжимающего напряжения на поверхности. Это существенно увеличивает прочность материала на растяжение, поскольку растягивающие напряжения, действующие на стекло, теперь должны разрешить сжимающие напряжения, прежде чем оно станет пластичным.

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

Альтернативно, при химической обработке стеклянную плиту, обработанную сеткообразователями и модификаторами, погружают в ванну с расплавленной солью, содержащей ионы большего размера, чем те, которые присутствуют в модификаторе. Из-за градиента концентрации ионов должен происходить массоперенос. По мере того, как более крупный катион диффундирует из расплавленной соли на поверхность, он заменяет меньший ион из модификатора. Более крупный ион, проникающий в поверхность, создает сжимающее напряжение на поверхности стекла. Типичным примером является обработка силикатного стекла, модифицированного оксидом натрия, в расплавленном хлориде калия . Примерами химически упрочненного стекла являются Gorilla Glass, разработанные и производимые компаниями Corning , AGC Inc. компании Dragontrail и Schott AG Xensation компании .

Композитное усиление

Многие из основных механизмов усиления можно классифицировать по их размерности. В 0-D происходит упрочнение преципитатов и твердого раствора с упрочнением структуры частиц, в 1-D - деформационное/лесное упрочнение с линейными дислокациями в качестве механизма упрочнения, а в 2-D - зернограничное упрочнение за счет поверхностной энергии границ раздела зерен. обеспечение улучшения силы. Два основных типа композитного усиления, армирование волокнами и ламинарное армирование, относятся к классам 1-D и 2-D соответственно. Анизотропия прочности волокна и ламинарного композита отражает эти размерности. Основная идея композитного усиления состоит в том, чтобы объединить материалы с противоположными сильными и слабыми сторонами для создания материала, который передает нагрузку на более жесткий материал, но выигрывает от пластичности и ударной вязкости более мягкого материала.

Армирование волокнами

Основная статья: Армированный волокнами композит

Армированные волокнами композиты (FRC) состоят из матрицы из одного материала, содержащей параллельно внедренные волокна. Существует два варианта армированных волокнами композитов: один с жесткими волокнами и пластичной матрицей, другой с пластичными волокнами и жесткой матрицей. Примером первого варианта является стекловолокно, которое содержит очень прочные, но хрупкие стеклянные волокна, заключенные в более мягкую пластиковую матрицу, устойчивую к разрушению. Последний вариант встречается почти во всех зданиях в виде железобетона с пластичными стальными стержнями с высокой прочностью на растяжение, заделанными в хрупкий бетон с высокой прочностью на сжатие. В обоих случаях матрица и волокна имеют взаимодополняющие механические свойства, 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 представляют собой грубую модель.

Четыре стадии деформации

Состояние армированного волокном 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 изонапряжения, т. е. волокно и матрица испытывают одинаковую деформацию. На каждом этапе составное напряжение ( $\sigma _{c}$) выражается через объемные доли волокна и матрицы ( $V_{f},V_{m}$), модули Юнга слоя и матрицы ( $E_{f},E_{m}$), деформация композита ( $\epsilon _{c}$), а также напряжение волокна и матрицы, полученное по кривой растяжения ( $\sigma _{f}(\epsilon _{c}),\sigma _{m}(\epsilon _{c})$).

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

   $\sigma _{c}=V_{f}\epsilon _{c}E_{f}+V_{m}\epsilon _{c}E_{m}$

   $E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m}$

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

   $\sigma _{c}=V_{f}\epsilon _{c}E_{f}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})$

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

   $\sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\epsilon _{c})+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})$

4. Волокна разрушаются, а матрица продолжает пластически деформироваться. Хотя на самом деле сломанные кусочки волокна все еще придают некоторую прочность, в этой простой модели они исключены.

   $\sigma _{c}\approx V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})$

Предел прочности

Из-за неоднородной природы FRC они также имеют несколько пределов прочности на разрыв (TS), по одному для каждого компонента. Учитывая допущения, изложенные выше, первая прочность на растяжение будет соответствовать разрушению волокон при некоторой поддержке прочности пластической деформации матрицы, а вторая - разрушению матрицы.

$TS_{1}=V_{f}TS_{f}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})$

$TS_{2}=V_{m}TS_{m}$

Анизотропия (эффекты ориентации)

В результате вышеупомянутой размерности (1-D) волокнистой арматуры в ее механических свойствах наблюдается значительная анизотропия. Следующие уравнения моделируют предел прочности FRC как функцию угла смещения ( $\theta$) между волокнами и приложенной силой, напряжениями параллельно и перпендикулярно, или $\theta =0$ и $90$^тот , случаи ( $\ \sigma _{||},\sigma _{\perp }$), а также прочность матрицы на сдвиг ( $\tau _{my}$).

Малый угол смещения (продольный перелом)

Угол достаточно мал, чтобы поддерживать передачу нагрузки на волокна и предотвращать расслоение волокон и несовпадение напряжений. Образцы немного большей площади поперечного сечения волокна, поэтому прочность волокна не только сохраняется, но и фактически увеличивается по сравнению с параллельным случаем. .

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

Значительный угол смещения (разрушение при сдвиге)

Угол настолько велик, что нагрузка не передается эффективно на волокна, и матрица испытывает достаточную деформацию, чтобы разрушиться.

$TS(\theta )={\frac {\tau _{my}}{\sin(\theta )\cos(\theta )}}$

Угол смещения, близкий к перпендикулярному (поперечный перелом)

Угол близок к 90. ^тот поэтому большая часть нагрузки остается в матрице, и, таким образом, растягивающее поперечное разрушение матрицы является доминирующим условием разрушения. Это можно рассматривать как дополнение к случаю малого угла, имеющему аналогичную форму, но с углом $90-\theta$.

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

Приложения

Укрепление материалов полезно во многих случаях. Основное применение усиленных материалов – строительство. Чтобы иметь более прочные здания и мосты, необходимо иметь прочный каркас, который может выдерживать высокие растягивающие или сжимающие нагрузки и противостоять пластической деформации. Стальной каркас, из которого изготовлено здание, должен быть максимально прочным, чтобы не прогнуться под всей тяжестью здания. Полимерные кровельные материалы также должны быть прочными, чтобы крыша не прогибалась при скоплении снега на крыше.

В настоящее время также проводятся исследования по увеличению прочности металлических материалов за счет добавления полимерных материалов, таких как полимер, армированный углеродным волокном, к (CFRP) [1] .

Текущие исследования

Исследования с использованием молекулярно-динамического моделирования

Метод молекулярной динамики (МД) широко применяется в материаловедении, поскольку он может дать информацию о структуре, свойствах и динамике в атомном масштабе, которую нелегко решить с помощью экспериментов. Фундаментальный механизм МД-моделирования основан на классической механике, из которой мы знаем, что сила, действующая на частицу, вызвана отрицательным градиентом потенциальной энергии относительно положения частицы. Следовательно, стандартная процедура проведения МД-моделирования состоит в том, чтобы разделить время на дискретные временные шаги и многократно решать уравнения движения на этих интервалах, чтобы обновить положения и энергии частиц. Прямое наблюдение за расположением атомов и энергетикой частиц на атомном уровне делает его мощным инструментом для изучения микроструктурной эволюции и механизмов укрепления.

Усиление границ зерен

Были проведены обширные исследования различных механизмов упрочнения с использованием МД-моделирования. Эти исследования показывают микроструктурную эволюцию, которую невозможно ни наблюдать экспериментально, ни предсказать с помощью упрощенной модели. Хан и др. исследовали механизм упрочнения границ зерен и влияние размера зерен в нанокристаллическом графене с помощью серии МД-моделирования. Предыдущие исследования наблюдали противоречивую зависимость прочности графена от размера зерна в масштабе нанометров, и выводы остались неясными. Поэтому Хан и др. использовали МД-моделирование для непосредственного наблюдения за структурной эволюцией графена с наноразмерными зернами. Образцы нанокристаллического графена были созданы случайной формы и распределения для имитации хорошо отожженных поликристаллических образцов. Затем образцы были нагружены одноосным растягивающим напряжением, и моделирование проводилось при комнатной температуре. Уменьшив размер зерна графена, Хан и др. наблюдал переход от обратного псевдоповедения Холла-Петча к псевдоповедению Холла-Петча, а критический размер зерна составляет 3,1 нм. Основываясь на расположении и энергетике моделируемых частиц, обратное псевдо-поведение Холла-Петча можно объяснить созданием мест концентрации напряжений из-за увеличения плотности зернограничных переходов. Затем на этих участках преимущественно зарождаются трещины, и прочность снижается. Однако при размере зерна ниже критического значения концентрация напряжений в зернограничных стыках снижается из-за компенсации напряжений между 5 и 7 дефектами. Это подавление помогает графену выдерживать растягивающую нагрузку и проявлять поведение псевдоХолла-Петча. Это исследование объясняет предыдущие противоречивые экспериментальные наблюдения и обеспечивает углубленное понимание механизма укрепления границ зерен нанокристаллического графена, который нелегко получить ни в экспериментах in-situ, ни ex-situ.

Укрепление осадка

Существуют также исследования в области медицины, посвященные механизмам усиления преципитата. Шим и др. применил МД-моделирование для изучения влияния на усиление осадка наноразмерной объемно-центрированной кубической (ОЦК) меди на гранецентрированно-кубической (ГЦК) Fe. Как обсуждалось в предыдущем разделе, эффекты упрочнения выделений вызваны взаимодействием между дислокациями и выделениями. Поэтому характеристики дислокации играют важную роль в эффектах упрочнения. Известно, что винтовая дислокация в ОЦК-металлах имеет весьма сложные особенности, в том числе неплоское ядро ​​и асимметрию двойникование-антидвойникование. Это усложняет анализ и моделирование механизма упрочнения и не может быть легко выявлено с помощью электронной микроскопии высокого разрешения. Таким образом, Шим и др. моделировали когерентные преципитаты ОЦК меди диаметром от 1 до 4 нм, встроенные в матрицу ГЦК-железа. Затем вводится винтовая дислокация, которая заставляет ее скользить по плоскости {112} под действием возрастающего напряжения сдвига , пока она не отделится от выделений. Напряжение сдвига, вызывающее отслоение, считается критическим разрешенным напряжением сдвига (CRSS). Шим и др. заметил, что скорость винтовых дислокаций в направлении двойникования в 2-4 раза больше, чем в направлении антидвойникования. Понижение скорости в антидвойниковом направлении обусловлено главным образом переходом в скольжении винтовой дислокации от кинк-парного механизма к перекрестному кинковому механизму. Напротив, винтовая дислокация преодолевает выделения размером 1–3,5 нм путем сдвига в направлении двойникования. Кроме того, также было замечено, что механизм отделения винтовых дислокаций с более крупными трансформированными преципитатами включает аннигиляцию и ренуклеацию и образование петель Орована в направлении двойникования и антидвойникования соответственно. Чтобы полностью охарактеризовать задействованные механизмы, требуется интенсивный анализ с помощью трансмиссионной электронной микроскопии, и обычно трудно дать исчерпывающую характеристику.

Упрочнение и легирование твердым раствором

Аналогичное исследование было проведено Zhang et al. по изучению твердорастворного упрочнения Co, Ru и Re различной концентрации в ГЦК Ni. Краевая дислокация располагалась в центре Ni, а ее система скольжения определялась как <110> {111}. Затем к верхней и нижней поверхностям Ni с атомом растворенного вещества (Co, Ru или Re), внедренным в центр, при 300 К было приложено напряжение сдвига. 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. Чжан и др. сделали еще один шаг вперед, объединив расчеты DFT из первых принципов с MD для изучения влияния энергии дефекта упаковки (SFE) на упрочнение, поскольку в этой структуре материала могут легко образовываться частичные дислокации. Результаты МД-моделирования показывают, что атомы Re сильно притягиваются к движению краевых дислокаций, а расчет DFT показывает резкое увеличение SFE, что происходит из-за взаимодействия между атомами хозяина и атомами растворенного вещества, расположенными в плоскости скольжения. Кроме того, аналогичные отношения были также обнаружены в ГЦК-никеле, внедренном в Ру и Ко.

Ограниченность исследований механизмов усиления МД.

Эти исследования показывают отличные примеры того, как метод МД может помочь в изучении механизмов усиления и дает больше информации в атомном масштабе. Однако важно отметить ограничения метода.

Чтобы получить точные результаты МД-моделирования, важно построить модель, которая правильно описывает межатомный потенциал , основанный на связи. Межатомные потенциалы являются скорее приближениями, чем точными описаниями взаимодействий. Точность описания существенно варьируется в зависимости от системы и сложности потенциальной формы. Например, если связь является динамической, что означает, что связь меняется в зависимости от положения атомов, необходим выделенный межатомный потенциал, чтобы МД-моделирование давало точные результаты. Следовательно, межатомные потенциалы необходимо адаптировать на основе связи. В материаловедении обычно используются следующие модели межатомного потенциала: потенциал Борна-Майера, потенциал Морса, потенциал Леннарда Джонса и потенциал Ми. Хотя они дают очень похожие результаты для изменения потенциальной энергии в зависимости от положения частицы, существует существенная разница в их отталкивающих хвостах. Эти характеристики позволяют им лучше описывать системы материалов со специфическими химическими связями соответственно.

Помимо присущих ошибок межатомных потенциалов, количество атомов и временные шаги в МД ограничены вычислительной мощностью. В настоящее время принято моделировать системы МД с несколькими миллионами атомов, и можно даже моделировать с несколькими миллионами атомов. Однако это по-прежнему ограничивает масштаб моделирования размером примерно микрона. Временные шаги в MD также очень малы, и длительное моделирование даст результаты только во временном масштабе в несколько наносекунд. Чтобы еще больше расширить масштаб времени моделирования, обычно применяют потенциал смещения, который изменяет высоту барьера, тем самым ускоряя динамику. Этот метод называется гипердинамикой. Правильное применение этого метода обычно может увеличить время моделирования до микросекунд.

Изготовление наноструктур для упрочнения материалов

Основываясь на механизме упрочнения, обсуждавшемся в предыдущем материале, в настоящее время люди также работают над повышением прочности путем целенаправленного изготовления наноструктур в материалах. Здесь мы представляем несколько репрезентативных методов, в том числе иерархические наносплетенные структуры, расширяющие границы размера зерен для упрочнения и дислокационной инженерии.

Иерархические нанодвойниковые структуры

Как упоминалось в предыдущем материале, препятствие движению дислокаций приводит к значительному упрочнению материалов. Наноразмерные двойники – кристаллические области, связанные симметрией, обладают способностью эффективно блокировать движение дислокаций за счет изменения микроструктуры на границе раздела. Формирование иерархических структур нанодвойников доводит эффект помех до крайности из-за построения сложной трехмерной сети нанодвойников. Таким образом, тонкое проектирование иерархических нанодвойниковых структур имеет большое значение для создания сверхпрочных материалов. Например, Юэ и др. сконструировали алмазный композит с иерархической нанодвойниковой структурой, манипулируя давлением синтеза. Полученный композит показал более высокую прочность, чем типичные конструкционные металлы и керамика.

Расширение границ размера зерна для укрепления

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. В этот момент механизм упрочнения меняется от деформационного упрочнения с преобладанием дислокаций к ростовому размягчению и вращению зерен. Обычно обратный эффект Холла-Петча происходит при размере зерен от 10 до 30 нм, что затрудняет достижение высокой прочности нанокристаллических материалов. Чтобы расширить пределы размера зерна для упрочнения, можно добиться препятствия вращению и росту зерна за счет стабилизации границ зерен. Создание наноламинированной структуры с малоугловыми границами зерен является одним из методов получения сверхмелкозернистых материалов сверхпрочности. Лу и др. применил очень высокоскоростную сдвиговую деформацию с высокими градиентами деформации на верхнем поверхностном слое объемного образца Ni и ввел наноламинированные структуры. Этот материал обладает сверхвысокой твердостью, превышающей любой известный ультрамелкозернистый никель. Исключительная прочность достигается за счет появления пологих границ зерен, которые имеют низкоэнергетические состояния, эффективные для повышения стабильности структуры. Другим методом стабилизации границ зерен является добавление неметаллических примесей. Неметаллические примеси часто агрегируются на границах зерен и способны влиять на прочность материалов за счет изменения энергии границ зерен. Руперт и др. провели моделирование из первых принципов 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 упрочнению материалов. Например, бор стабилизировал границы зерен, увеличивая плотность заряда между соседними атомами меди и улучшая 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. Инженерные дислокационные структуры и распределение обещают комплексное улучшение характеристик материала. Растворенные вещества имеют тенденцию агрегировать на дислокациях и перспективны для дислокационной инженерии. Кимура и др. провел атомно-зондовый томограф и наблюдал агрегацию атомов ниобия к дислокациям. Энергия сегрегации была рассчитана практически такой же, как энергия сегрегации по границам зерен. То есть взаимодействие атомов ниобия с дислокациями препятствовало восстановлению дислокаций и тем самым упрочняло материалы. Введение дислокаций с неоднородными характеристиками также может быть использовано для упрочнения материалов. Лу и др. ввел упорядоченные кислородные комплексы в сплав TiZrHfNb. В отличие от традиционного межузельного упрочнения введение упорядоченных кислородных комплексов повысило прочность сплава без ущерба для пластичности. Механизм заключался в том, что упорядоченные кислородные комплексы меняли режим движения дислокаций с плоского скольжения на волнообразное и способствовали двойному поперечному скольжению.

См. также

• Усиление границ зерен
• Усиление осадков
• Укрепление твердым раствором
• Прочность материалов
• Закалка (металлургия)
• Упрочнение

Внешние ссылки

• Упрочнение границ зерен в глиноземе редкоземельными примесями
• Механизм зернограничного упрочнения сталей
• Набор инструментов Matlab с открытым исходным кодом для анализа переноса скольжения через границы зерен.