ужесточение

В материаловедении под закалкой понимают процесс придания материалу большей устойчивости к распространению трещин. При распространении трещины связанная с ней 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 кончиков трещин и в основном зависит от различных механизмов упрочнения.

Закалка металлов

В случае пластичного материала, такого как металл, эта вязкость обычно пропорциональна напряжению и деформации разрушения, а также базовой длине трещины. Вязкость металла при плоской деформации определяется выражением:

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

где $G_{\mathrm {I} C}$ – вязкость плоской деформации, $B$ является константой, которая включает в себя стрессовое состояние, $\sigma _{yf}$ - растягивающее напряжение течения при разрушении, $\epsilon _{fr}$ - растягивающая деформация разрушения, и $\rho$ – радиус вершины трещины.

В материале с низким пределом текучести вершина трещины может легко затупиться, и образуется больший радиус вершины трещины. Таким образом, в данном металлическом сплаве ударная вязкость в состоянии низкой прочности обычно выше, чем в условиях более высокой прочности, поскольку для закалки доступна меньшая пластичность. Поэтому некоторые критически важные для безопасности детали конструкции, такие как сосуды под давлением и трубопроводы к фюзеляжу из алюминиевого сплава, изготавливаются в относительно низкопрочном исполнении. Тем не менее, следует повысить ударную вязкость, не жертвуя при этом прочностью металла. Этой цели можно достичь путем разработки нового сплава или улучшения его обработки.

Разработка нового сплава может быть объяснена различной ударной вязкостью в нескольких сплавах железа. 18%-никелевая мартенситно-стареющая сталь имеет более высокую ударную вязкость, чем мартенситная сталь AISI 4340. В сплаве AISI 4340 межузельный углерод существует в ОЦК (кубической, центрированной по телу) матрице. и оказывают неблагоприятное влияние на ударную вязкость. В мартенситной стали с содержанием 18% Ni содержание углерода ниже, а мартенсит упрочняется атомами замещения Ni. Кроме того, эффекты пластичности, вызванной трансформацией (TRIP) в стали, могут обеспечить дополнительную ударную вязкость. В стали TRIP матрица метастабильна и при деформации может превращаться в мартенсит. Работа, связанная с фазовым превращением, способствует повышению ударной вязкости. В монолитном стеклянном сплаве Pd–Ag–P–Si–Ge свойства высокого модуля объемного сжатия и низкого модуля сдвига приводят к увеличению полос сдвига. Эти полосы самоограничены, и прочность улучшена.

Металлы можно повысить за счет улучшения обработки. Обладая высоким сродством к кислороду, титановый сплав легко поглощает кислород. Кислород может способствовать образованию _{фазы α2} . Эти когерентные α ₂ частицы приводят к легкому зарождению и быстрому распространению трещин внутри плоских полос скольжения. Следовательно, ударная вязкость титанового сплава снижается. Для минимизации содержания кислорода и повышения ударной вязкости сплава можно использовать метод многократной вакуумно-дуговой плавки (VAR). Точно так же фосфор в сталях может резко снизить ударную вязкость. Фосфор может сегрегировать на границах зерен и приводить к межзеренному разрушению. Если дефосфорация улучшается во время производства стали, сталь будет закалена с меньшим содержанием фосфора. После соответствующей обработки стали кристаллические зерна и вторые фазы, ориентированные вдоль направления прокатки, могут улучшить ударную вязкость материалов за счет расслоения, которое может ослабить трехосное напряжение и притупить вершину трещины.

Металлы также можно укрепить методами, описанными ниже для керамики, но эти методы обычно оказывают меньшее влияние на ударную вязкость, чем притупление трещин, вызванное пластичностью.

Закалка керамики

Керамика более хрупкая, чем большинство металлов и пластмасс. Необратимая работа, связанная с пластической деформацией, в керамике не представлена. Следовательно, методы повышения ударной вязкости керамики отличаются от методов металлов. Существует несколько механизмов упрочнения, называемых прогибом трещины, упрочнением микротрещин, трансформационным упрочнением и перекрытием трещин.

Общие механизмы ужесточения

Отклонение трещины

В поликристаллической керамике трещина может распространяться межзеренным путем. Соответствующая необратимая работа на единицу площади равна 2γ-γgb _, где γ — поверхностная энергия материала, а γgb _— энергия границ зерен. Хотя необратимая работа уменьшается из-за энергии границ зерен, площадь разрушения увеличивается при распространении межзеренной трещины. Кроме того, трещина режима II может быть вызвана отклонением от нормальной плоскости разрушения во время распространения межзеренной трещины, что еще больше повышает ударную вязкость керамики. В результате керамика с межкристаллитным разрушением демонстрирует более высокую вязкость, чем с транскристаллитным разрушением. В SiC вязкость разрушения составляет ~2-3. $MPa\cdot m^{0.5}$если он разрушается транскристаллитно и вязкость разрушения повышается до 10 $MPa\cdot m^{0.5}$когда он разрушается межзеренно. Механизмы отклонения трещин приводят к повышению ударной вязкости керамики с аномальным ростом зерен (AGG). Гетерогенные микроструктуры, полученные с помощью AGG, образуют материалы, которые можно рассматривать как «композиты in-situ» или «самоармированные материалы». Отклонения трещин вокруг частиц второй фазы также использовались в подходах к механике разрушения для прогнозирования увеличения вязкости разрушения.

Упрочнение микротрещин

Упрочнение микротрещин означает, что образование микротрещин перед основной трещиной может повысить прочность керамики. Дополнительные микротрещины приведут к концентрации напряжения перед основной трещиной. Это приводит к дополнительной необратимой работе, необходимой для распространения трещины. Кроме того, эти микротрещины могут стать причиной разветвлений трещин, причем одна трещина может образовывать множественные трещины. Из-за образования этих трещин увеличивается необратимая работа. Увеличение прочности $G_{C}$ Упрочнение вследствие микротрещин может выражаться:

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

где $r_{c}$ – расстояние между микротрещинами и плоскостью излома, $\sigma _{R}$остаточное напряжение, $\Delta \alpha$ - разница коэффициентов теплового расширения между соседними зернами, $\Delta T$ - разница температур, вызывающая тепловую деформацию, и $V_{f}$ – доля зерен, относящаяся к микротрещинам в пораженном объеме. В этом уравнении предполагалось, что остаточное напряжение является доминирующим в зарождении микротрещин, а образование микротрещин вызвано упругой работой. Чтобы замедлить распространение трещин, эти микротрещины должны образовываться во время распространения трещины. Размер зерна должен быть меньше критического размера во избежание самопроизвольного образования микротрещин. Расстояние между микротрещиной и плоскостью излома должно быть больше размера зерна, чтобы обеспечить эффект упрочнения. Как продемонстрировала наиболее ярко Кэтрин Фабер в 1981 году, упрочнение, вызванное введением частиц второй фазы, подверженных микрорастрескиванию, становится заметным для узкого распределения частиц соответствующего размера по размерам.

Ужесточение трансформации

Схема трансформационного упрочнения частично стабилизированного диоксида циркония

Эффект TRIP обнаруживается в частично стабилизированном диоксиде циркония. Частично стабилизированный диоксид циркония состоит из тетрагональной фазы при высокой температуре, моноклинной фазы и кубической фазы при более низкой температуре в равновесии. В некоторых компонентах температура начала тетрагонально-моноклинного мартенситного превращения ниже комнатной температуры. Поле напряжений вблизи вершины трещины запускает мартенситное превращение при скоростях, предположительно приближающихся к скорости звука в материале. Мартенситное превращение вызывает объемное расширение (объемная/дилатационная деформация) и деформации сдвига примерно на 4% и 16% соответственно. Он применяет сжимающее напряжение к вершине трещины, чтобы предотвратить распространение трещины, а также смыкание тяги в следе трещины. С другой точки зрения, работа, связанная с этим фазовым превращением, способствует повышению ударной вязкости. Приращение вязкости, вызванное трансформационным упрочнением, можно выразить следующим образом:

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

где $r_{c}$– расстояние между границей трансформированной области и плоскостью разрушения, $\sigma _{M}$напряжение, вызывающее мартенситное превращение, $\epsilon _{M}$ – деформация мартенситного превращения, $V_{f}$– доля тетрагональных зерен, связанная с микротрещинами в пораженном объеме. Размер тетрагональных частиц следует контролировать должным образом. Это связано с тем, что слишком большой размер частиц приводит к самопроизвольному превращению, а слишком маленький размер частиц приводит к очень небольшому эффекту упрочнения.

Перекрытие трещин

Когда трещина распространяется неравномерно, некоторые зерна с каждой стороны основной трещины могут выступать на другую сторону. Это приводит к дополнительной работе при полном переломе. Эта необратимая работа связана с остаточным напряжением, которое составляет около . Увеличение прочности может быть выражено:

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

где $\mu$- коэффициент трения, $\sigma _{R}$остаточное напряжение, $d$ - длина края зерна, а $V_{f}$– доля зерен, связанных с перекрытием трещин.

Существуют и другие подходы к повышению прочности керамики за счет перекрытия трещин. Явление аномального роста зерен , или AGG, можно использовать для придания микроструктуры, перекрывающей трещины, в однофазном керамическом материале. Наличие аномально длинных зерен служит перемычкой трещин и препятствует их раскрытию. Это было продемонстрировано на карбиде кремния и нитриде кремния . Аномально крупные зерна могут также способствовать повышению прочности керамики за счет механизмов отклонения трещин. Формирование текстурированной внутренней структуры внутри керамики можно использовать в качестве метода повышения прочности. Благодаря этому подходу материалы из карбида кремния стали более жесткими. Поскольку площадь межфазной поверхности увеличивается из-за внутренней структуры, в этом материале увеличивается работа необратимого разрушения.

Схема армированных волокнами композитов

Упрочнение композитов

В композитах с металлической матрицей (ММК) добавки укрепляют металл и снижают ударную вязкость материала. В композитах с керамической матрицей (КМК) добавки могут сделать материалы более жесткими, но не укрепить их. в то же время. В композитах, армированных углеродным волокном (CFRP), графитовые волокна могут одновременно повышать жесткость и прочность полимера. В объемные металлостеклокомпозиты (BMG) добавляются дендриты, чтобы замедлить движение полосы сдвига и повысить ударную вязкость.

Если волокна имеют большую деформацию разрушения, чем матрица, композит упрочняется за счет перекрытия трещин. Прочность композита можно выразить:

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

где $G_{m}$и $G_{f}$– прочность матрицы и волокон соответственно, $V_{m}$и $V_{f}$– объем матрицы и волокон соответственно, $\Delta G_{C}$— это дополнительная прочность, вызванная мостовым упрочнением. После распространения трещины по волокну волокно удлиняется и вырывается из матрицы. Эти процессы соответствуют пластической деформации и работе выдергивания и способствуют упрочнению композита.

Когда волокно хрупкое, работа по выдергиванию доминирует над необратимой работой, способствующей упрочнению. Приращение прочности, вызванное работой по выдергиванию, можно выразить следующим образом:

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

где $\beta$ - это соотношение между длиной разрыва связи и критической длиной, $\sigma _{f}$прочность волокон, $d$ ширина волокна, $V_{f}$представляет собой долю волокон и $\tau$– напряжение трения на границе раздела. Из уравнения можно обнаружить, что более высокая объемная доля, более высокая прочность волокна и более низкое межфазное напряжение могут обеспечить лучший эффект упрочнения.

Перекрытие трещин пластической фазы

Когда волокно пластичное, работа пластической деформации в основном способствует улучшению упрочнения. Дополнительная вязкость, обусловленная пластической деформацией, может быть выражена следующим образом:

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

где $C$ является константой в пределах 1,5-6, $\sigma _{y}$– напряжение течения волокон, $\epsilon _{y}$– деформация разрушения волокон, $V_{f}$- доля волокон, а $l_{d}$длина отсоединения. Из уравнения можно обнаружить, что более высокое напряжение текучести и большая длина отрыва могут улучшить ударную вязкость. Однако большая длина разрыва связи обычно приводит к уменьшению напряжения течения из-за потери ограничений для пластической деформации.

Прочность композита с вязким фазовым упрочнением также можно выразить с помощью коэффициента интенсивности напряжений: $K_{c}$ методом линейной суперпозиции матрицы и перекрытия трещин на основе решений Тада. Эта модель может предсказать поведение мелкомасштабных перемычек (длина перемычки << длина трещины) в условиях монотонной нагрузки, но не крупномасштабных перемычек.

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

Несколько механизмов упрочнения эпоксидных смол

где $K_{m}$ – трещиностойкость матрицы, $\Delta K_{b}$ - это упрочнение из-за перекрытия трещин, $L$ длина моста, $x$ расстояние за вершиной трещины, $\sigma _{y}$- одноосный предел текучести, а $\alpha$ – фактор ограничения/трехосности.

Упрочнение полимеров

Механизмы упрочнения полимеров аналогичны рассмотренным выше. Для объяснения упрочнения полимеров используется всего несколько примеров. В ударопрочном полистироле (HIPS) эластомерная дисперсия используется для повышения устойчивости к распространению трещин. При распространении основной трещины вокруг эластомерной дисперсии над или под плоскостью разрушения образуются микротрещины. УПП упрочняется дополнительной работой, связанной с образованием микротрещин. В эпоксидных смолах частицы стекла используются для повышения прочности материалов. Механизм упрочнения аналогичен прогибу трещины. Добавление пластификаторов в полимеры также является хорошим способом повышения их прочности.