Förstärkande mekanismer av material

Metoder har utarbetats för att modifiera sträckgränsen , duktiliteten och segheten hos både kristallina och amorfa material. Dessa förstärkningsmekanismer ger ingenjörer möjligheten att skräddarsy de mekaniska egenskaperna hos material för att passa en mängd olika applikationer. Till exempel beror de gynnsamma egenskaperna hos stål från interstitiell inkorporering av kol i järngittret . Mässing , en binär legering av koppar och zink , har överlägsna mekaniska egenskaper jämfört med dess ingående metaller på grund av lösningsförstärkning. Arbetshärdning (som att slå en glödhet metallbit på städet) har också använts i århundraden av smeder för att införa dislokationer i material, vilket ökar deras flytgränser .

Grundläggande beskrivning

Plastisk deformation uppstår när ett stort antal dislokationer rör sig och multipliceras för att resultera i makroskopisk deformation. Med andra ord är det rörelsen av dislokationer i materialet som möjliggör deformation. Om vi vill förbättra ett materials mekaniska egenskaper (dvs. öka sträck- och draghållfastheten ) behöver vi helt enkelt införa en mekanism som förbjuder rörligheten av dessa dislokationer. Oavsett mekanismen (härdning, kornstorleksminskning etc.) hindrar de alla dislokationsrörelser och gör materialet starkare än tidigare.

Spänningen som krävs för att orsaka dislokationsrörelse är storleksordningar lägre än den teoretiska spänningen som krävs för att förskjuta ett helt plan av atomer, så detta sätt att avlasta spänningen är energetiskt fördelaktigt. Hårdheten och hållfastheten (både sträckan och draghållfastheten) beror därför kritiskt på hur lätt dislokationer rör sig. Pinningspunkter , eller platser i kristallen som motverkar rörelsen av dislokationer, kan införas i gittret för att minska dislokationsrörligheten och därigenom öka den mekaniska styrkan. Dislokationer kan fastna på grund av stressfältsinteraktioner med andra dislokationer och lösta partiklar, vilket skapar fysiska barriärer från andra fasutfällningar som bildas längs korngränserna. Det finns fem huvudsakliga förstärkningsmekanismer för metaller, var och en är en metod för att förhindra dislokationsrörelse och -utbredning, eller göra det energetiskt ogynnsamt för dislokationen att röra sig. För ett material som har förstärkts, med någon bearbetningsmetod, är mängden kraft som krävs för att starta irreversibel ( plastisk) deformation större än den var för originalmaterialet.

I amorfa material som polymerer, amorfa keramer (glas) och amorfa metaller leder avsaknaden av lång räckvidd till eftergivlighet via mekanismer som spröd fraktur, krackelering och bildning av skjuvband . I dessa system innebär förstärkningsmekanismer inte dislokationer, utan består snarare av modifieringar av den kemiska strukturen och bearbetningen av det ingående materialet.

Materialens styrka kan inte öka oändligt. Var och en av mekanismerna som förklaras nedan innebär en avvägning genom vilken andra materialegenskaper äventyras under förstärkningsprocessen.

Förstärkningsmekanismer i metaller

Arbetshärdning

De primära arterna som ansvarar för arbetshärdning är dislokationer. Dislokationer samverkar med varandra genom att generera spänningsfält i materialet. Interaktionen mellan spänningsfälten för dislokationer kan hindra dislokationsrörelse genom frånstötande eller attraktiva interaktioner. Dessutom, om två dislokationer korsar, inträffar dislokationslinjen intrassling, vilket orsakar bildandet av en jog som motverkar dislokationsrörelse. Dessa förvecklingar och joggningar fungerar som fästpunkter, som motverkar dislokationsrörelse. Eftersom båda dessa processer är mer benägna att inträffa när fler dislokationer är närvarande, finns det en korrelation mellan dislokationsdensitet och skjuvhållfasthet.

Skjuvförstärkningen som tillhandahålls av dislokationsinteraktioner kan beskrivas med:

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

där $\alpha$ är en proportionalitetskonstant, $G$ är skjuvmodulen , $b$ är Burgers-vektorn och $\rho _{\perp }$ är dislokationstätheten.

Dislokationsdensitet definieras som dislokationslinjens längd per volymenhet:

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

På liknande sätt kommer den axiella förstärkningen att vara proportionell mot dislokationsdensiteten.

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

Detta förhållande gäller inte när dislokationer bildar cellstrukturer. När cellstrukturer bildas styr den genomsnittliga cellstorleken den förstärkande effekten.

Ökning av dislokationsdensiteten ökar sträckgränsen vilket resulterar i en högre skjuvspänning som krävs för att flytta dislokationerna. Denna process kan lätt observeras under bearbetning av ett material (genom en process av kallbearbetning i metaller). Teoretiskt sett kommer hållfastheten hos ett material utan dislokationer att vara extremt hög ( ${\displaystyle \sigma \approx {\frac {G}{10}}})$ eftersom plastisk deformation skulle kräva att många bindningar bryts samtidigt. Vid måttliga dislokationsdensitetsvärden på omkring 10 ⁷ -10 ⁹ dislokationer/m ² kommer emellertid materialet att uppvisa en betydligt lägre mekanisk hållfasthet. Analogt är det lättare att flytta en gummimatta över en yta genom att sprida en liten krusning genom den än att dra hela mattan. Vid dislokationsdensiteter på 10 ¹⁴ dislokationer/m ² eller högre blir hållfastheten i materialet hög igen. Dessutom kan dislokationsdensiteten inte vara oändligt hög, eftersom materialet då skulle förlora sin kristallina struktur. ^{[ citat behövs ]}

Detta är en schematisk bild som illustrerar hur gittret ansträngs genom tillsats av interstitiellt löst ämne. Lägg märke till töjningen i gittret som de lösta atomerna orsakar. Det mellanliggande lösta ämnet kan till exempel vara kol i järn. Kolatomerna i gittrets interstitiella platser skapar ett spänningsfält som hindrar dislokationsrörelse.

Detta är en schematisk bild som illustrerar hur gittret spänns genom tillsats av substitutionellt löst ämne. Lägg märke till töjningen i gittret som den lösta atomen orsakar.

Fast lösning som stärker och legerar

För denna förstärkningsmekanism läggs lösta atomer av ett element till ett annat, vilket resulterar i antingen substitutionella eller interstitiella punktdefekter i kristallen ( se figuren till höger). De lösta atomerna orsakar gitterförvrängningar som hindrar dislokationsrörelse, vilket ökar materialets sträckgräns . Lösta atomer har stressfält runt sig som kan interagera med dislokationer. Närvaron av lösta atomer ger kompressions- eller dragspänningar till gittret, beroende på löst ämnes storlek , vilket stör närliggande dislokationer, vilket gör att lösta atomer fungerar som potentiella barriärer.

Skjuvspänningen som krävs för att flytta dislokationer i ett material är:

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

där $c$ är koncentrationen av löst ämne och $\epsilon$ är belastningen på materialet som orsakas av det lösta ämnet.

Att öka koncentrationen av de lösta atomerna kommer att öka sträckgränsen för ett material, men det finns en gräns för mängden löst ämne som kan tillsättas, och man bör titta på fasdiagrammet för materialet och legeringen för att säkerställa att en andra fasen skapas inte.

I allmänhet beror förstärkningen av den fasta lösningen på koncentrationen av de lösta ämnenas atomer, skjuvmodulen för de lösta ämnenas atomer, storleken på de lösta ämnenas atomer, valensen hos lösta ämnens atomer (för joniska material) och symmetrin hos det lösta spänningsfältet. Förstärkningens storlek är högre för icke-symmetriska spänningsfält eftersom dessa lösta ämnen kan interagera med både kant- och skruvdislokationer, medan symmetriska spänningsfält, som endast orsakar volymförändring och inte formförändring, endast kan interagera med kantdislokationer.

Figur 2: En schematisk bild som illustrerar hur dislokationerna kan interagera med en partikel. Den kan antingen skära igenom partikeln eller böja sig runt partikeln och skapa en dislokationsslinga när den rör sig över partikeln.

Nederbördshärdning

I de flesta binära system kommer legering över en koncentration som ges av fasdiagrammet att orsaka bildandet av en andra fas. En andra fas kan också skapas genom mekaniska eller termiska behandlingar. Partiklarna som utgör den andra fasens utfällningar fungerar som fästpunkter på ett liknande sätt som lösta ämnen, även om partiklarna inte nödvändigtvis är enstaka atomer.

Dislokationerna i ett material kan interagera med fällningsatomerna på ett av två sätt (se figur 2). Om fällningsatomerna är små skulle dislokationerna skära igenom dem. Som ett resultat skulle nya ytor (b i figur 2) på partikeln exponeras för matrisen och partikel-matrisgränsytans energi skulle öka. För större fällningspartiklar skulle slingor eller böjning av dislokationerna uppstå och resultera i att dislokationerna blir längre. Följaktligen, vid en kritisk radie av omkring 5 nm, kommer dislokationer företrädesvis att skära över hindret, medan för en radie av 30 nm kommer dislokationerna lätt att böja sig eller slinga för att övervinna hindret.

De matematiska beskrivningarna är följande:

För partikelböjning- $\Delta \tau ={Gb \over L-2r}$

För partikelskärning- $\Delta \tau ={\gamma \pi r \over bL}$

Figur 3: En schematisk bild som grovt illustrerar konceptet med dislokationstaplar och hur det påverkar materialets styrka. Ett material med större kornstorlek kan ha mer dislokation att stapla upp vilket leder till en större drivkraft för dislokationer att flytta från ett korn till ett annat. Sålunda behöver mindre kraft appliceras för att flytta en dislokation från ett större än från ett mindre korn, vilket leder till att material med mindre korn uppvisar högre sträckgräns.

Dispersionsstärkande

Dispersionsförstärkning är en typ av partikelförstärkning där osammanhängande fällningar drar till sig och stiftförskjutningar. Dessa partiklar är vanligtvis större än de i Orowon-utfällningshärdningen som diskuterats ovan. Effekten av dispersionsförstärkning är effektiv vid höga temperaturer medan utfällningsförstärkning från värmebehandlingar typiskt sett är begränsade till temperaturer som är mycket lägre än materialets smälttemperatur. En vanlig typ av dispersionsförstärkning är oxiddispersionsförstärkning .

Korngränsförstärkning

I en polykristallin metall har kornstorleken en enorm inverkan på de mekaniska egenskaperna. Eftersom korn vanligtvis har olika kristallografiska orienteringar uppstår korngränser. Medan den genomgår deformation kommer glidrörelse att äga rum. Korngränser fungerar som ett hinder för dislokationsrörelse av följande två skäl:

1. Dislokation måste ändra sin rörelseriktning på grund av kornens olika orientering. 2. Diskontinuitet av glidplan från korn ett till korn två.

Den spänning som krävs för att flytta en dislokation från ett korn till ett annat för att plastiskt deformera ett material beror på kornstorleken. Det genomsnittliga antalet dislokationer per korn minskar med genomsnittlig kornstorlek (se figur 3). Ett lägre antal dislokationer per korn resulterar i att ett lägre ”dislokationstryck” byggs upp vid korngränserna. Detta gör det svårare för dislokationer att flytta in i angränsande korn. Detta förhållande är Hall-Petch-förhållandet och kan matematiskt beskrivas enligt följande:

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

där $k$ är en konstant, $d$ är medelkorndiametern och $\sigma _{y,0}$ är den ursprungliga sträckgränsen.

Det faktum att sträckgränsen ökar med minskande kornstorlek åtföljs av förbehållet att kornstorleken inte kan minskas oändligt. När kornstorleken minskar genereras mer fri volym vilket resulterar i gallerfel. Under cirka 10 nm kommer korngränserna att tendera att glida istället; ett fenomen som kallas korngränsglidning . Om kornstorleken blir för liten blir det svårare att få in dislokationerna i kornen och spänningen som krävs för att flytta dem är mindre. Det var inte möjligt att producera material med kornstorlekar under 10 nm förrän nyligen, så upptäckten att styrkan minskar under en kritisk kornstorlek hittar fortfarande nya tillämpningar.

Transformationshärdning

Denna härdningsmetod används för stål.

Höghållfasta stål delas i allmänhet in i tre grundläggande kategorier, klassificerade efter den använda förstärkningsmekanismen. 1- solid-lösningsförstärkta stål (refosstål) 2- kornraffinerade stål eller höghållfasta låglegerade stål (HSLA) 3- transformationshärdade stål

Transformationshärdade stål är den tredje typen av höghållfasta stål. Dessa stål använder övervägande högre nivåer av C och Mn tillsammans med värmebehandling för att öka hållfastheten. Den färdiga produkten kommer att ha en duplex mikrostruktur av ferrit med varierande nivåer av degenererad martensit. Detta möjliggör varierande styrka. Det finns tre grundläggande typer av transformationshärdade stål. Dessa är tvåfas (DP), transformationsinducerad plasticitet (TRIP) och martensitiska stål.

Glödgningsprocessen för tvåfasstål består av att först hålla stålet i alfa + gamma-temperaturområdet under en bestämd tidsperiod. Under den tiden diffunderar C och Mn in i austeniten och lämnar en ferrit av högre renhet. Stålet kyls sedan så att austeniten omvandlas till martensit, och ferriten stannar kvar vid kylning. Stålet utsätts sedan för en tempereringscykel för att tillåta en viss grad av nedbrytning på mårdplatsen. Genom att kontrollera mängden martensit i stålet, samt graden av härdning, kan hållfasthetsnivån kontrolleras. Beroende på bearbetning och kemi kan hållfasthetsnivån variera från 350 till 960 MPa.

TRIP-stål använder också C och Mn, tillsammans med värmebehandling, för att hålla kvar små mängder austenit och bainit i en ferritmatris. Termisk bearbetning för TRIP-stål innebär återigen glödgning av stålet i a + g-området under en tidsperiod som är tillräcklig för att tillåta C och Mn att diffundera in i austenit. Stålet kyls sedan till en punkt över martensitstarttemperaturen och hålls där. Detta möjliggör bildandet av bainit, en austenitnedbrytningsprodukt. Vid denna temperatur tillåts mer C för att berika den kvarhållna austeniten. Detta sänker i sin tur martensitstarttemperaturen till under rumstemperatur. Vid slutsläckning hålls en metastabil austenit kvar i den övervägande ferritmatrisen tillsammans med små mängder bainit (och andra former av nedbruten austenit). Denna kombination av mikrostrukturer har de extra fördelarna med högre styrka och motståndskraft mot halsning under formning. Detta ger stora förbättringar i formbarhet jämfört med andra höghållfasta stål. I huvudsak, när TRIP-stålet formas, blir det mycket starkare. Draghållfastheten för TRIP-stål ligger i intervallet 600-960 MPa.

Martensitiska stål är också höga i C och Mn. Dessa är helt kylda till martensit under bearbetning. Martensitstrukturen härdas sedan tillbaka till lämplig hållfasthetsnivå, vilket ger stålet seghet. Draghållfastheten för dessa stål sträcker sig så högt som 1500 MPa.

Förstärkningsmekanismer i amorfa material

Polymer

Polymerer spricker genom brytning av inter- och intramolekylära bindningar; därför spelar den kemiska strukturen hos dessa material en stor roll för att öka styrkan. För polymerer som består av kedjor som lätt glider förbi varandra kan kemisk och fysikalisk tvärbindning användas för att öka styvheten och sträckgränsen. I härdplaster ( härdplast ) ger disulfidbryggor och andra kovalenta tvärbindningar upphov till en hård struktur som tål mycket höga temperaturer. Dessa tvärbindningar är särskilt användbara för att förbättra draghållfastheten hos material som innehåller mycket fri volym som är benägen att krackelera, typiskt glasartade sköra polymerer. I termoplastisk elastomer leder fasseparation av olika monomerkomponenter till association av hårda domäner inom ett hav av mjuk fas, vilket ger en fysisk struktur med ökad styrka och styvhet. Om eftergivning sker genom att kedjor glider förbi varandra (skjuvband) kan styrkan också ökas genom att introducera kinks i polymerkedjorna via omättade kol-kolbindningar.

Tillsats av fyllnadsmaterial såsom fibrer, blodplättar och partiklar är en vanlig teknik för att förstärka polymermaterial. Fyllmedel som lera, kiseldioxid och nätverksmaterial av kol har undersökts omfattande och använts i polymerkompositer delvis på grund av deras effekt på mekaniska egenskaper. Styvhetsinneslutningseffekter nära stela gränssnitt, såsom de mellan en polymermatris och styvare fyllnadsmaterial, förbättrar kompositernas styvhet genom att begränsa polymerkedjerörelsen. Detta är speciellt närvarande där fyllmedel behandlas kemiskt för att starkt interagera med polymerkedjor, vilket ökar förankringen av polymerkedjor till fyllmedelsgränsytan och därmed ytterligare begränsar kedjornas rörelse bort från gränsytan. Styvhetsinneslutningseffekter har karakteriserats i modell nanokompositer, och visar att kompositer med längdskalor i storleksordningen nanometer ökar effekten av fyllmedlen på polymerstyvheten dramatiskt.

monomerenhetens volym genom inkorporering av arylringar är en annan förstärkningsmekanism. Den anisotropi innebär att dessa mekanismer är starkt beroende av riktningen av pålagd spänning. Medan arylringar drastiskt ökar styvheten längs kedjans riktning, kan dessa material fortfarande vara spröda i vinkelräta riktningar. Makroskopisk struktur kan justeras för att kompensera för denna anisotropi . Till exempel härrör den höga hållfastheten hos Kevlar från en staplad flerskiktsmakrostruktur där aromatiska polymerskikt roteras i förhållande till sina grannar. När de laddas snett mot kedjeriktningen är formbara polymerer med flexibla länkar, såsom orienterad polyeten , mycket benägna att bilda skjuvband, så makroskopiska strukturer som placerar belastningen parallellt med dragriktningen skulle öka styrkan.

Blandning av polymerer är en annan metod för att öka hållfastheten, särskilt med material som uppvisar krackelering före spröda frakturer såsom ataktisk polystyren (APS). Till exempel, genom att bilda en 50/50 blandning av APS med polyfenylenoxid (PPO), kan denna sprödhetstendens nästan helt undertryckas, vilket väsentligt ökar brotthållfastheten.

Interpenetrerande polymernätverk (IPN), bestående av sammanflätade tvärbundna polymernätverk som inte är kovalent bundna till varandra, kan leda till ökad hållfasthet i polymermaterial. Användningen av ett IPN-tillvägagångssätt ålägger kompatibilitet (och därmed homogenitet i makroskala) på blandningar som inte är blandbara, vilket möjliggör en blandning av mekaniska egenskaper. Till exempel visar silikon-polyuretan IPN ökad riv- och böjhållfasthet jämfört med bassilikonnätverk, samtidigt som den höga elastiska återhämtningen av silikonnätverket bibehålls vid höga belastningar. Ökad styvhet kan också uppnås genom att förtöja polymernätverk och sedan sekventiellt bilda ett sekundärt nätverk i det spända materialet. Detta drar fördel av den anisotropiska töjningshärdningen av det ursprungliga nätverket (kedjeinriktning från sträckning av polymerkedjorna) och tillhandahåller en mekanism varigenom de två nätverken överför spänningar till varandra på grund av den pålagda spänningen på det förspända nätverket.

Glas

Många silikatglas är starka i kompression men svaga i spänning. Genom att införa tryckspänning i strukturen kan materialets draghållfasthet ökas. Detta görs vanligtvis via två mekanismer: termisk behandling (tempering) eller kemiskt bad (via jonbyte).

I härdade glas används luftstrålar för att snabbt kyla de övre och nedre ytorna på en uppmjukad (het) glasplatta. Eftersom ytan svalnar snabbare blir det mer fri volym vid ytan än i bulksmältan. Plattans kärna drar sedan ytan inåt, vilket resulterar i en inre tryckspänning vid ytan. Detta ökar väsentligt materialets draghållfasthet eftersom dragpåkänningar som utövas på glaset nu måste lösa tryckspänningarna innan de ger efter.

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

Alternativt, vid kemisk behandling, sänks en glasplatta som behandlats innehållande nätverksbildare och modifierare ned i ett smält saltbad innehållande joner som är större än de som finns i modifieraren. På grund av en koncentrationsgradient av jonerna måste masstransport ske. När den större katjonen diffunderar från det smälta saltet till ytan, ersätter den den mindre jonen från modifieraren. Den större jon som klämmer in i ytan introducerar tryckspänning i glasets yta. Ett vanligt exempel är behandling av natriumoxidmodifierat silikatglas i smält kaliumklorid . Exempel på kemiskt förstärkt glas är Gorilla Glass utvecklat och tillverkat av Corning , AGC Inc.:s Dragontrail och Schott AG :s Xensation.

Kompositförstärkning

Många av de grundläggande förstärkningsmekanismerna kan klassificeras utifrån deras dimensionalitet. Vid 0-D finns fällning och fast lösningsförstärkning med partikelförstärkande struktur, vid 1-D är det arbete/skogshärdning med linjeförskjutningar som härdningsmekanism, och vid 2-D finns korngränsförstärkning med ytenergi av granulära gränssnitt ger styrkaförbättring. De två primära typerna av kompositförstärkning, fiberarmering och laminär armering, faller i klasserna 1-D respektive 2-D. Anisotropin hos fiber och laminär kompositstyrka återspeglar dessa dimensioner. Den primära idén bakom kompositförstärkning är att kombinera material med motsatta styrkor och svagheter för att skapa ett material som överför belastning på det styvare materialet men drar nytta av det mjukare materialets formbarhet och seghet.

Fiberförstärkning

Fiberförstärkta kompositer (FRC) består av en matris av ett material som innehåller parallella inbäddade fibrer. Det finns två varianter av fiberförstärkta kompositer, en med styva fibrer och duktil matris och en med duktila fibrer och en styv matris. Den förstnämnda varianten exemplifieras av glasfiber som innehåller mycket starka men ömtåliga glasfibrer inbäddade i en mjukare plastmatris som är motståndskraftig mot brott. Den sistnämnda varianten återfinns i nästan alla byggnader som armerad betong med sega, höghållfasta stålstänger ingjutna i spröd betong med hög tryckhållfasthet. I båda fallen har matrisen och fibrerna kompletterande mekaniska egenskaper och det resulterande kompositmaterialet är därför mer praktiskt för tillämpningar i den verkliga världen.

För en komposit som innehåller inriktade, styva fibrer som sträcker sig över materialets längd och en mjuk, seg matris, ger följande beskrivningar en grov modell.

Fyra stadier av deformation

Tillståndet för en fiberarmerad komposit under applicerad dragpåkänning längs fibrernas riktning kan delas upp i fyra steg från liten töjning till stor töjning. Eftersom spänningen är parallell med fibrerna, beskrivs deformationen av isostrain-tillståndet, dvs fibern och matrisen upplever samma töjning. I varje steg ges den sammansatta spänningen ( $\sigma _{c}$ ) i termer av volymfraktionerna av fibern och matrisen ( $V_{f},V_{ m}$ ), Young's moduler för fibern och matrisen ( $\displaystyle \epsilon _{c }}$ $\displaystyle E_{f},E_{m}}$ ), töjningen av kompositen ( ), och spänningen hos fibern och matrisen som läses från en spännings-töjningskurva ( $\sigma _{f}(\epsilon _{c} ),\sigma _{m}(\epsilon _{c})$ ).

Både fiber och komposit förblir i den elastiska töjningsregimen. I detta skede noterar vi också att den sammansatta Youngs modul är en enkel viktad summa av de två komponentmodulerna.

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

$E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m}$
Fibern förblir i det elastiska regimen men matrisen ger efter och deformeras plastiskt.
$\sigma _{c}=V_{f}\epsilon _{c}E_{f}+V_{m}\sigma _ {m}(\epsilon _{c})$
Både fiber och komposit ger efter och deformeras plastiskt. Detta stadium har ofta betydande Poisson-stam som inte fångas av modellen nedan.
$\sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\epsilon _{c})+V_ {m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})$
Fibern spricker medan matrisen fortsätter att plastiskt deformeras. Även om de trasiga fiberbitarna i verkligheten fortfarande bidrar med viss styrka, lämnas de utanför denna enkla modell.
$\sigma _{c}\approx V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})$

Brottgräns

På grund av den heterogena naturen hos FRC har de också flera draghållfastheter (TS), en som motsvarar varje komponent. Givet antagandena som skisserats ovan, skulle den första draghållfastheten motsvara brott hos fibrerna, med visst stöd från matrisens plastiska deformationshållfasthet, och den andra med brott i matrisen.

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

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

Anisotropi (orienteringseffekter)

Som ett resultat av den tidigare nämnda dimensionaliteten (1-D) hos fiberarmering observeras betydande anisotropi i dess mekaniska egenskaper. Följande ekvationer modellerar draghållfastheten för en FRC som en funktion av felinställningsvinkeln ( $\theta$ ) mellan fibrerna och den applicerade kraften, spänningarna i parallell och vinkelrät, eller $\theta =0$ och $90$ ^o , fall ( $\ \sigma _{||},\sigma _{\perp }$ ), och matrisens skjuvhållfasthet ( $\tau _{min}$ ).

Vinkeln är tillräckligt liten för att upprätthålla belastningsöverföring på fibrerna och förhindra delaminering av fibrer och den felinriktade spänningen provar en något större tvärsnittsarea av fibern så att fiberns styrka inte bara bibehålls utan faktiskt ökar jämfört med det parallella fallet.

{\displaystyle TS(\theta )={\frac {\sigma _{||}}{\cos ^{2}(\theta )}}} Signifikant feljusteringsvinkel (skjuvfel

Vinkeln är tillräckligt stor för att belastningen inte effektivt överförs till fibrerna och matrisen utsätts för tillräcklig påkänning för att spricka.

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

Vinkeln är nära 90 ^o så det mesta av belastningen stannar kvar i matrisen och därför är drag tvärmatrisbrott det dominerande brotttillståndet. Detta kan ses som ett komplement till fallet med liten vinkel, med liknande form men med vinkeln

90-\theta

.

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

Laminär förstärkning

Ansökningar

Förstärkning av material är användbart i många applikationer. En primär tillämpning av förstärkta material är för konstruktion. För att få starkare byggnader och broar måste man ha en stark stomme som tål hög drag- eller tryckbelastning och motstår plastisk deformation. Stålstommen som används för att göra byggnaden ska vara så stark som möjligt så att den inte böjs under hela byggnadens vikt. Polymera takmaterial skulle också behöva vara starka så att taket inte faller in när det byggs upp snö på taket.

Forskning pågår också för att öka hållfastheten hos metalliska material genom tillsats av polymermaterial såsom bunden kolfiberförstärkt polymer till (CFRP) [ 1] .

Nuvarande forskning

Studier med hjälp av molekylär dynamiksimulering

Metoden molekylär dynamik (MD) har använts i stor utsträckning inom materialvetenskap eftersom den kan ge information om strukturen, egenskaperna och dynamiken på atomär skala som inte enkelt kan lösas med experiment. Den grundläggande mekanismen bakom MD-simulering är baserad på klassisk mekanik, från vilken vi vet att kraften som utövas på en partikel orsakas av den negativa gradienten av den potentiella energin med avseende på partikelpositionen. Därför är en standardprocedur för att utföra MD-simulering att dela upp tiden i diskreta tidssteg och lösa rörelseekvationerna över dessa intervall upprepade gånger för att uppdatera partiklarnas positioner och energier. Direkt observation av atomära arrangemang och energi hos partiklar på atomär skala gör det till ett kraftfullt verktyg för att studera mikrostrukturell evolution och förstärkningsmekanismer.

Korngränsförstärkning

Det har gjorts omfattande studier av olika förstärkningsmekanismer med MD-simulering. Dessa studier avslöjar den mikrostrukturella utvecklingen som varken lätt kan observeras från ett experiment eller förutsägas av en förenklad modell. Han et al. undersökte korngränsförstärkningsmekanismen och effekterna av kornstorlek i nanokristallint grafen genom en serie MD-simuleringar. Tidigare studier observerade inkonsekvent kornstorleksberoende av styrkan hos grafen vid längdskalan nm och slutsatserna förblev oklara. Därför har Han et al. använde MD-simulering för att observera den strukturella utvecklingen av grafen med korn i nanostorlek direkt. De nanokristallina grafenproverna genererades med slumpmässiga former och distribution för att simulera välglödgade polykristallina prover. Proverna belastades sedan med enaxlig dragspänning och simuleringarna utfördes vid rumstemperatur. Genom att minska kornstorleken av grafen, Han et al. observerade en övergång från ett omvänt pseudo Hall-Petch-beteende till pseudo Hall-Petch-beteende och den kritiska kornstorleken är 3,1 nm. Baserat på arrangemanget och energin hos simulerade partiklar kan det omvända pseudo Hall-Petch-beteendet tillskrivas skapandet av spänningskoncentrationsställen på grund av ökningen av tätheten av korngränsövergångar. Sprickor bildar då företrädesvis kärnor på dessa platser och styrkan minskar. Men när kornstorleken är under det kritiska värdet, minskar spänningskoncentrationen vid korngränsövergångarna på grund av spänningsupphävande mellan 5 och 7 defekter. Denna annullering hjälper grafen att upprätthålla dragbelastningen och uppvisa ett pseudo Hall-Petch-beteende. Denna studie förklarar de tidigare inkonsekventa experimentella observationerna och ger en djupgående förståelse av korngränsförstärkningsmekanismen för nanokristallint grafen, som inte enkelt kan erhållas från vare sig in-situ eller ex-situ experiment.

Precipitatförstärkning

Det finns också MD-studier gjorda på utfällningsförstärkande mekanismer. Shim et al. tillämpade MD-simuleringar för att studera utfällningsförstärkande effekter av nanostorlek kroppscentrerad-kubisk (bcc) Cu på ansiktscentrerad-kubisk (fcc) Fe. Som diskuterats i föregående avsnitt orsakas de fällningsförstärkande effekterna av interaktionen mellan dislokationer och fällningar. Därför spelar egenskaperna hos dislokation en viktig roll för de förstärkande effekterna. Det är känt att en skruvdislokation i bcc-metaller har mycket komplicerade egenskaper, inklusive en icke-plan kärna och tvilling-anti-tvinna-asymmetri. Detta komplicerar analysen och modelleringen av förstärkningsmekanismen och det kan inte lätt avslöjas med högupplöst elektronmikroskopi. Således har Shim et al. simulerade koherenta bcc Cu-fällningar med diametrar från 1 till 4 nm inbäddade i fcc Fe-matrisen. En skruvdislokation införs sedan och drivs att glida på ett {112}-plan av en ökande skjuvspänning tills den lossnar från fällningarna. Skjuvspänningen som orsakar lossningen betraktas som den kritiska upplösta skjuvspänningen (CRSS). Shim et al. observerade att skruvdislokationshastigheten i tvinningsriktningen är 2-4 gånger större än den i tvinningsriktningen. Den reducerade hastigheten i anti-tvinningsriktningen orsakas huvudsakligen av en övergång i skruvdislokationsglidet från kink-paret till cross-kink-mekanismen. Däremot övervinner en skruvdislokation fällningarna på 1–3,5 nm genom skjuvning i tvillingsriktningen. Dessutom har det också observerats att mekanismen för lösgörande av skruvdislokation med de större, transformerade fällningarna involverar utplåning-och-återkärnbildning och Orowan-looping i tvilling- respektive anti-tvinningsriktningen. För att fullt ut karakterisera de inblandade mekanismerna kräver det intensiv analys av transmissionselektronmikroskopi och det är normalt svårt att ge en heltäckande karakterisering.

Fast lösning som stärker och legerar

En liknande studie har gjorts av Zhang et al. på att studera den fasta lösningens förstärkning av Co, Ru och Re av olika koncentrationer i fcc Ni. Kantdislokationen placerades i mitten av Ni och dess glidsystem sattes till <110> {111}. Skjuvspänning applicerades sedan på de övre och nedre ytorna av Ni med en löst atom (Co, Ru eller Re) inbäddad i mitten vid 300 K. Tidigare studier har visat att den allmänna synen på storlek och moduleffekter inte kan förklara fullständigt den solida lösningsförstärkningen som orsakas av Re i detta system på grund av deras låga värden. Zhang et al. tog ett steg längre för att kombinera de första principiella DFT-beräkningarna med MD för att studera inverkan av stacking fault energy (SFE) på förstärkning, eftersom partiella dislokationer lätt kan bildas i denna materialstruktur. MD-simuleringsresultat indikerar att Re-atomer drar kraftigt till kantdislokationsrörelse och DFT-beräkningen avslöjar en dramatisk ökning av SFE, vilket beror på interaktionen mellan värdatomer och lösta atomer i glidplanet. Vidare har liknande relationer också hittats i fcc Ni inbäddad med Ru and Co.

Begränsning av MD-studierna av förstärkningsmekanismer

Dessa studier visar bra exempel på hur MD-metoden kan hjälpa studierna av förstärkningsmekanismer och ger fler insikter på atomär skala. Det är dock viktigt att notera metodens begränsningar.

För att få exakta MD-simuleringsresultat är det viktigt att bygga en modell som korrekt beskriver den interatomära potentialen baserat på bindning. De interatomiska potentialerna är approximationer snarare än exakta beskrivningar av interaktioner. Beskrivningens noggrannhet varierar avsevärt med systemet och komplexiteten hos den potentiella formen. Till exempel, om bindningen är dynamisk, vilket innebär att det sker en förändring i bindningen beroende på atompositioner, krävs den dedikerade interatomära potentialen för att MD-simuleringen ska kunna ge korrekta resultat. Därför måste interatomära potentialer skräddarsys baserat på bindning. Följande interatomära potentialmodeller används ofta inom materialvetenskap: Born-Mayer potential, Morse potential, Lennard Jones potential och Mie potential. Även om de ger mycket liknande resultat för variationen av potentiell energi med avseende på partikelpositionen, finns det en icke försumbar skillnad i deras frånstötande svansar. Dessa egenskaper gör att de bättre beskriver materialsystem med specifika kemiska bindningar.

Förutom inneboende fel i interatomära potentialer, begränsas antalet atomer och tidsstegen i MD av beräkningskraften. Nuförtiden är det vanligt att simulera ett MD-system med flera miljoner atomer och det kan till och med uppnå simuleringar med flera miljoner atomer. Detta begränsar dock fortfarande längdskalan för simuleringen till ungefär en mikron i storlek. Tidsstegen i MD är också mycket små och en lång simulering kommer bara att ge resultat på en tidsskala på några nanosekunder. För att ytterligare utöka skalan för simuleringstid är det vanligt att tillämpa en förspänningspotential som ändrar barriärhöjden och därför accelererar dynamiken. Denna metod kallas hyperdynamik. Den korrekta tillämpningen av denna metod kan typiskt förlänga simuleringstiderna till mikrosekunder.

Tillverkning av nanostruktur för materialförstärkning

Baserat på den förstärkningsmekanism som diskuterades i det tidigare innehållet, arbetar man nuförtiden också med att förstärka styrkan genom att medvetet tillverka nanostrukturer i material. Här introducerar vi flera representativa metoder, inklusive hierarkiska nanottvinnade strukturer, som tänjer på gränsen för kornstorlek för förstärknings- och dislokationsteknik.

Hierarkiska nanotvinnade strukturer

Som nämnts i det föregående innehållet, ger hindrande av dislokationsrörelser stor förstärkning av material. Tvillingar i nanoskala - kristallina regioner relaterade till symmetri har förmågan att effektivt blockera dislokationsrörelsen på grund av mikrostrukturförändringen vid gränssnittet. Bildandet av hierarkiska nanotvinnade strukturer driver hindereffekten till det yttersta, på grund av konstruktionen av ett komplext 3D-nanotvinnt nätverk. Således är den känsliga designen av hierarkiska nanotvinnade strukturer av stor betydelse för att uppfinna material med superstyrka. Till exempel, Yue et al. konstruerade en diamantkomposit med hierarkiskt nanotvinnande struktur genom att manipulera syntestrycket. Den erhållna kompositen visade högre hållfasthet än typiska tekniska metaller och keramik.

Tuffar på gränsen för kornstorlek för förstärkning

Hall-Petch-effekten illustrerar att sträckgränsen hos material ökar med minskande kornstorlek. Men många forskare har funnit att de nanokristallina materialen kommer att mjukna när kornstorleken minskar till den kritiska punkten, vilket kallas den omvända Hall-Petch-effekten. Tolkningen av detta fenomen är att de extremt små kornen inte kan stödja dislokationstapeup vilket ger extra spänningskoncentration i de stora kornen. Vid denna tidpunkt ändras förstärkningsmekanismen från dislokationsdominerad stamhärdning till tillväxtmjukning och kornrotation. Vanligtvis kommer den omvända Hall-Petch-effekten att inträffa vid kornstorlekar från 10 nm till 30 nm och gör det svårt för nanokristallina material att uppnå en hög hållfasthet. För att tänja på gränsen för kornstorlek för förstärkning, kan hindret av kornrotation och tillväxt uppnås genom stabilisering av korngränsen. Konstruktionen av nanolaminerad struktur med lågvinkla korngränser är en metod för att erhålla ultrafinkorniga material med ultrahållfasthet. Lu et al. applicerade en mycket hög hastighet skjuvdeformation med höga töjningsgradienter på det övre ytskiktet av bulk Ni-prov och introducerade nanolaminerade strukturer. Detta material uppvisar en ultrahög hårdhet, högre än något rapporterat ultrafinkornigt nickel. Den exceptionella styrkan är resultatet av uppkomsten av lågvinkla korngränser, som har lågenergitillstånd som är effektiva för att förbättra strukturstabiliteten. En annan metod för att stabilisera korngränser är tillsatsen av icke-metalliska föroreningar. Ickemetalliska föroreningar aggregeras ofta vid korngränserna och har förmågan att påverka materialens styrka genom att ändra korngränsenergin. Rupert et al. genomförde första principsimuleringar för att studera effekten av tillsats av vanliga icke-metalliska föroreningar på Σ5 (310) korngränsenergi i Cu. De hävdade att minskningen av föroreningens kovalenta radie och ökningen av elektronegativiteten hos föroreningen skulle leda till en ökning av korngränsenergin och ytterligare stärka materialen. Till exempel stabiliserade bor korngränserna genom att öka laddningstätheten bland de intilliggande Cu-atomerna för att förbättra kopplingen mellan två korngränser.

Dislokationsteknik

Tidigare studier om inverkan av dislokationsrörelse på materialförstärkning fokuserade huvudsakligen på högdensitetsdislokation, vilket är effektivt för att förbättra styrkan med kostnaden för att minska duktiliteten. Tekniska dislokationsstrukturer och distribution lovar att på ett omfattande sätt förbättra materialets prestanda. Lösta ämnen tenderar att aggregera vid dislokationer och är lovande för dislokationsteknik. Kimura et al. genomförde en atomsondstomografi och observerade aggregationen av niobatomer till dislokationerna. Segregationsenergin beräknades vara nästan densamma som korngränssegregationsenergin. Det vill säga, interaktionen mellan niobatomer och dislokationer hindrade återhämtningen av dislokationer och stärkte därmed materialen. Införande av dislokationer med heterogena egenskaper kan också användas för materialförstärkning. Lu et al. introducerade ordnade syrekomplex i TiZrHfNb-legering. Till skillnad från den traditionella interstitiella förstärkningen, förbättrade införandet av de ordnade syrekomplexen legeringens styrka utan att offra duktiliteten. Mekanismen var att de ordnade syrekomplexen ändrade dislokationsrörelseläget från plan glidning till vågig glidning och främjade dubbelt tvärglidning.

Se även

externa länkar