Механизмы усиления материалов - Strengthening mechanisms of materials

Эта статья может требовать уборка встретиться с Википедией стандарты качества. Нет причина очистки был указан. Пожалуйста помоги улучшить эту статью если вы можете. (Октябрь 2010 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Были разработаны методы изменения предел текучести, пластичность, и стойкость обоих кристаллический и аморфный материалы. Эти механизмы упрочнения дают инженерам возможность адаптировать механические свойства материалов для различных областей применения. Например, благоприятные свойства стали являются результатом межстраничный включение углерод в утюг решетка. Латунь, двоичный сплав из медь и цинк, имеет превосходные механические свойства по сравнению с составляющими его металлами за счет упрочнения раствора. Деформационное упрочнение (такое как избиение раскаленного металла по наковальне) также веками использовалось кузнецами для введения вывихи в материалы, увеличивая их предел текучести.

Основное описание

Пластическая деформация происходит, когда большое количество вывихи перемещаться и размножаться, что приводит к макроскопической деформации. Другими словами, это движение дислокаций в материале, которое допускает деформацию. Если мы хотим улучшить механические свойства материала (т.е. увеличить выход и предел прочности ), нам просто нужно ввести механизм, запрещающий подвижность этих дислокаций. Каким бы ни был механизм (деформационное упрочнение, уменьшение размера зерна и т. Д.), Все они препятствуют движению дислокаций и делают материал более прочным, чем раньше.^[1][2][3][4]

Напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать движение дислокации, на несколько порядков ниже, чем теоретическое напряжение, необходимое для смещения всей плоскости атомов, поэтому такой способ снятия напряжения является энергетически выгодным. Следовательно, твердость и прочность (как текучесть, так и растяжение) критически зависят от легкости, с которой перемещаются дислокации. Точки закрепления, или места в кристалле, которые препятствуют движению дислокаций,^[5] могут быть введены в решетку для уменьшения подвижности дислокаций, тем самым увеличивая механическую прочность. Вывихи могут быть заколоты из-за поле напряжений взаимодействует с другими дислокациями и частицами растворенного вещества, создавая физические барьеры из выделений второй фазы, образующихся вдоль границ зерен. Для металлов существует пять основных механизмов упрочнения, каждый из которых является методом предотвращения движения и распространения дислокаций или создания энергетически невыгодного для движения дислокации. Для материала, который был упрочнен каким-либо методом обработки, величина силы, необходимая для начала необратимого (Пластическая деформация больше, чем было для исходного материала.

В аморфный материалы, такие как полимеры, аморфная керамика (стекло) и аморфные металлы, отсутствие дальнего порядка приводит к текучести через такие механизмы, как хрупкое разрушение, трескаться, и полоса сдвига формирование. В этих системах механизмы упрочнения не связаны с дислокациями, а состоят из модификаций химической структуры и обработки составляющего материала.

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

Механизмы усиления в металлах

Упрочнение

Основные виды, ответственные за упрочнение вывихи. Дислокации взаимодействуют друг с другом, создавая поля напряжений в материале. Взаимодействие между полями напряжений дислокаций может препятствовать движению дислокаций за счет отталкивающих или притягивающих взаимодействий. Кроме того, если две дислокации пересекаются, происходит перепутывание линий дислокации, вызывающее образование ступеньки, препятствующей движению дислокации. Эти запутывания и выступы действуют как точки закрепления, препятствующие движению дислокации. Поскольку оба этих процесса более вероятны при наличии большего количества дислокаций, существует корреляция между плотностью дислокаций и прочностью на сдвиг.

Усиление сдвига, обеспечиваемое дислокационными взаимодействиями, можно описать следующим образом:^[6]

${displaystyle Delta au _ {d} = alpha Gb {sqrt {ho _ {perp}}}}$

куда ${displaystyle alpha}$ - константа пропорциональности, ${displaystyle G}$ это модуль сдвига, ${displaystyle b}$ это Вектор гамбургеров, и ${displaystyle ho _ {perp}}$ - плотность дислокаций.

Плотность дислокаций определяется как длина линии дислокации в единице объема:

${displaystyle ho _ {perp} = {frac {ell} {ell ^ {3}}}}$

Точно так же осевое упрочнение будет пропорционально плотности дислокаций.

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

Это соотношение не применимо, когда дислокации образуют клеточные структуры. Когда формируются клеточные структуры, средний размер клеток контролирует эффект усиления.^[6]

Увеличение плотности дислокаций увеличивает предел текучести, что приводит к более высокому напряжению сдвига, необходимому для перемещения дислокаций. Этот процесс легко наблюдается при обработке материала (в процессе холодной обработки металлов). Теоретически прочность материала без дислокаций будет чрезвычайно высокой. (${displaystyle sigma приблизительно {frac {E} {10}}}$) потому что пластическая деформация потребовала бы разрыва многих связей одновременно. Однако при умеренных значениях плотности дислокаций около 10⁷-10⁹ вывихов / м², материал будет иметь значительно более низкую механическую прочность. Аналогично, резиновый коврик легче перемещать по поверхности, распространяя по нему небольшую рябь, чем перетаскивая коврик целиком. При плотности дислокаций 10¹⁴ вывихов / м² или выше, прочность материала снова становится высокой. Кроме того, плотность дислокаций не может быть бесконечно высокой, потому что тогда материал потеряет свою кристаллическую структуру.^{Нужна цитата}

Это схематическое изображение, показывающее, как решетка деформируется при добавлении растворенного вещества внедрения. Обратите внимание на деформацию решетки, которую вызывают растворенные атомы. Растворенным веществом внедрения может быть, например, углерод в железе. Атомы углерода в междоузлиях решетки создают поле напряжений, которое препятствует перемещению дислокаций.

Это схематическое изображение, показывающее, как решетка деформируется при добавлении растворенного вещества замещения. Обратите внимание на деформацию решетки, которую вызывает растворенный атом.

Упрочнение и легирование твердого раствора

Для этого механизма упрочнения растворенные атомы одного элемента добавляются к другому, что приводит либо к точечным дефектам замещения, либо к межузельным точечным дефектам в кристалл (см. рисунок 1). Атомы растворенного вещества вызывают искажения решетки, препятствующие движению дислокаций, увеличивая предел текучести материала. Атомы растворенного вещества имеют вокруг себя поля напряжений, которые могут взаимодействовать с полями дислокаций. Присутствие атомов растворенного вещества создает сжимающие или растягивающие напряжения в решетке, в зависимости от растворенного вещества. размер, которые мешают соседним дислокациям, заставляя атомы растворенного вещества действовать как потенциальные барьеры.

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

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

куда ${displaystyle c}$ - концентрация растворенного вещества и ${displaystyle epsilon}$ - нагрузка на материал, вызванная растворенным веществом.

Увеличение концентрации растворенных атомов увеличит предел текучести материала, но есть предел количества растворенного вещества, которое может быть добавлено, и следует смотреть на фазовую диаграмму для материала и сплава, чтобы убедиться, что вторая фаза не создается.

В общем, упрочнение твердого раствора зависит от концентрации растворенных атомов, модуля сдвига растворенных атомов, размера растворенных атомов, валентности растворенных атомов (для ионных материалов) и симметрии поля напряжений 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.

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

Осадочное твердение

В большинстве бинарных систем легирование выше концентрации, указанной на фазовой диаграмме, вызовет образование второй фазы. Вторую фазу также можно создать с помощью механической или термической обработки. Частицы, которые составляют выделения второй фазы, действуют как точки закрепления аналогично растворенным веществам, хотя частицы не обязательно являются отдельными атомами.

Дислокации в материале могут взаимодействовать с атомами преципитата одним из двух способов (см. Рисунок 2). Если атомы осадка малы, дислокации прорежут их. В результате новые поверхности (b на рисунке 2) частицы будут подвергаться воздействию матрицы, и межфазная энергия частицы и матрицы увеличится. Для более крупных частиц осадка может возникнуть петля или изгиб дислокаций, что приведет к увеличению длины дислокаций. Следовательно, при критическом радиусе около 5 нм дислокации предпочтительно пересекают препятствие, в то время как для радиуса 30 нм дислокации легко изгибаются или петляют, преодолевая препятствие.

Математические описания следующие:

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

Для резки частиц ${displaystyle Delta au = {gamma pi r over bL}}$

Рисунок 3: Схема, грубо иллюстрирующая концепцию скопления дислокаций и ее влияние на прочность материала. Материал с большим размером зерна может иметь больше дислокаций для накопления, что приводит к большей движущей силе для перемещения дислокаций от одного зерна к другому. Таким образом, требуется меньшее усилие для перемещения дислокации из большего, чем из меньшего зерна, чтобы материалы с меньшими зернами демонстрировали более высокий предел текучести.

Усиление дисперсии

Дисперсионное упрочнение - это тип упрочнения частиц, при котором некогерентные выделения притягиваются и перемещаются стержневые дислокации. Эти частицы обычно больше, чем частицы дисперсионного твердения Оровона, описанного выше. Эффект дисперсионного упрочнения эффективен при высоких температурах, тогда как дисперсионное упрочнение при термообработке обычно ограничивается температурами, намного более низкими, чем температура плавления материала.^[7] Одним из распространенных типов дисперсионного упрочнения является упрочнение оксидной дисперсии.

Укрепление границ зерен

В поликристаллическом металле размер зерна имеет огромное влияние на механические свойства. Поскольку зерна обычно имеют различную кристаллографическую ориентацию, возникают границы зерен. При деформации будет происходить скольжение. Границы зерен служат препятствием для движения дислокаций по следующим двум причинам:

1. Дислокация должна менять направление своего движения из-за разной ориентации зерен.^[4]
2. Отсутствие сплошности плоскостей скольжения от зерна 1 до зерна 2.^[4]

Напряжение, необходимое для перемещения дислокации от одного зерна к другому с целью 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 более низкому «давлению» дислокаций, создаваемому на границах зерен. Это затрудняет перемещение дислокаций в соседние зерна. Эти отношения - Отношения Холла-Петча и математически описывается следующим образом:

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

куда ${displaystyle k}$ константа, ${displaystyle d}$ - средний диаметр зерна и ${displaystyle sigma _ {y, 0}}$ - исходный предел текучести.

Тот факт, что предел текучести увеличивается с уменьшением размера зерна, сопровождается предупреждением о том, что размер зерна нельзя уменьшать бесконечно. По мере уменьшения размера зерна образуется больше свободного объема, что приводит к рассогласованию решеток. Ниже примерно 10 нм границы зерен будут вместо этого сдвигаться; явление, известное как зернограничное скольжение. Если размер зерна становится слишком маленьким, становится труднее подогнать дислокации в зерне, и напряжение, необходимое для их перемещения, уменьшается. До недавнего времени было невозможно производить материалы с размером зерна менее 10 нм, поэтому открытие того, что прочность уменьшается ниже критического размера зерна, все еще находит новые применения.

Трансформационное упрочнение

Этот метод закалки применяется для сталей.

Высокопрочные стали обычно делятся на три основные категории, классифицируемые по используемому механизму упрочнения. стали, упрочненные твердым раствором (стали Rephos) 2- мелкозернистые стали или же высокопрочные низколегированные стали (HSLA) 3- трансформационно-закаленные стали

Трансформационно-упрочненные стали - это третий вид высокопрочных сталей. Эти стали используют преимущественно более высокие уровни C и Mn наряду с термообработкой для повышения прочности. Готовый продукт будет иметь дуплексную микроструктуру феррита с различными уровнями вырожденного мартенсита. Это позволяет использовать различные уровни силы. Существует три основных типа трансформационно-закаленных сталей. Это двухфазные (DP), пластичные при трансформации (TRIP) и мартенситные стали.

Процесс отжига двухфазных сталей состоит в том, чтобы сначала выдержать сталь в температурном диапазоне альфа + гамма в течение заданного периода времени. За это время C и Mn диффундируют в аустенит, оставляя феррит большей чистоты. Затем сталь закаливают, так что аустенит превращается в мартенсит, а феррит остается при охлаждении. Затем сталь подвергается отпуску, чтобы обеспечить некоторый уровень разложения куницы. Уровень прочности можно контролировать, контролируя количество мартенсита в стали, а также степень отпуска. В зависимости от обработки и химического состава уровень прочности может составлять от 350 до 960 МПа.

В сталях TRIP также используются C и Mn, наряду с термообработкой, чтобы удерживать небольшие количества аустенита и бейнита в ферритной матрице. Термическая обработка сталей TRIP снова включает отжиг стали в области a + g в течение периода времени, достаточного для того, чтобы позволить C и Mn диффундировать в аустенит. Затем сталь закаливают до точки, превышающей начальную температуру мартенсита, и выдерживают в ней. Это позволяет образовывать бейнит, продукт разложения аустенита. При этой температуре допускается большее количество C для обогащения остаточного аустенита. Это, в свою очередь, снижает начальную температуру мартенсита до температуры ниже комнатной. После окончательной закалки метастабильный аустенит остается в матрице, состоящей преимущественно из феррита, вместе с небольшими количествами бейнита (и других форм разложившегося аустенита). Эта комбинация микроструктур имеет дополнительные преимущества в виде более высокой прочности и устойчивости к образованию шейки во время формования. Это значительно улучшает формуемость по сравнению с другими высокопрочными сталями. По сути, по мере того как сталь TRIP формируется, она становится намного прочнее. Предел прочности при растяжении сталей TRIP находится в диапазоне 600-960 МПа.

Мартенситные стали также содержат большое количество C и Mn. Во время обработки они полностью закалены до мартенсита. Затем мартенситную структуру снова отпускают до необходимого уровня прочности, что увеличивает прочность стали. Предел прочности на разрыв для этих сталей достигает 1500 МПа.

Механизмы упрочнения в аморфных материалах

Полимер

Полимеры перелом через разрыв меж- и внутримолекулярных связей; следовательно, химическая структура этих материалов играет огромную роль в повышении прочности. За полимеры состоящий из цепей, которые легко скользят друг мимо друга, химическое и физическое сшивание может использоваться для увеличения жесткости и предела текучести. В термореактивных полимерах (термореактивный пластик ), дисульфидные мостики и др. ковалентный поперечные связи образуют твердую структуру, которая может выдерживать очень высокие температуры. Эти поперечные связи особенно полезны для повышения прочности на разрыв материалов, которые содержат большой свободный объем, склонный к растрескиванию, обычно это стеклообразные хрупкие полимеры.^[8] В термопластичный эластомер, фазовое разделение разнородных мономер Компоненты приводят к объединению жестких доменов в море мягкой фазы, что дает физическую структуру повышенной прочности и жесткости. Если податливость происходит из-за скольжения цепей друг за друга (полосы сдвига), прочность также может быть увеличена путем введения перегибов в полимерные цепи через ненасыщенные углерод-углеродные связи.^[8]

Добавление наполнители такие как волокна, пластинки и частицы, является широко применяемым методом упрочнения полимерных материалов. Такие наполнители, как глина, кремнезем и материалы с углеродной сеткой, были тщательно исследованы и используются 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, увеличивают жесткость композитов за счет ограничения движения полимерной цепи.^[9] Это особенно важно, когда наполнители подвергаются химической обработке для сильного взаимодействия с полимерными цепями, увеличивая сцепление полимерных цепей с границами раздела наполнителя и тем самым дополнительно ограничивая движение цепей от границы раздела.^[10] Эффекты ограничения жесткости были охарактеризованы в модельных нанокомпозитах и ​​показывают, что композиты с масштабами длины порядка нанометров резко увеличивают влияние наполнителей на жесткость полимера.^[11]

Увеличение объема мономер единица за счет включения арильных колец - еще один усиливающий механизм. В анизотропия молекулярной структуры означает, что эти механизмы сильно зависят от направления приложенного напряжения. Хотя арильные кольца резко увеличивают жесткость в направлении цепи, эти материалы могут оставаться хрупкими в перпендикулярных направлениях. Макроскопическая структура может быть скорректирована, чтобы компенсировать это. анизотропия. Например, высокая прочность Кевлар возникает из многослойной макроструктуры, в которой слои ароматического полимера повернуты относительно своих соседей. При загрузке под углом к ​​направлению цепи пластичные полимеры с гибкими связями, например ориентированными полиэтилен, очень склонны к образованию полос сдвига, поэтому макроскопические структуры, которые размещают нагрузку параллельно направлению вытяжки, увеличивают прочность.^[8]

Смешивание полимеров - еще один метод повышения прочности, особенно с материалами, которые имеют трещины, предшествующие хрупкому разрушению, например, атактическому разрушению. полистирол (APS). Например, образуя смесь APS с полифениленоксидом (PPO) в соотношении 50/50, эту тенденцию к охрупчиванию можно почти полностью подавить, существенно увеличивая прочность на излом.^[8]

Взаимопроникающие полимерные сети (IPN), состоящие из переплетенных сеток из сшитых полимеров, которые не связаны друг с другом ковалентно, могут привести к повышению прочности полимерных материалов. Использование подхода IPN налагает совместимость (и, следовательно, однородность на макроуровне) на несмешиваемые в противном случае смеси, позволяя смешивать механические свойства. Например, силикон-полиуретановые ВПС демонстрируют повышенную прочность на разрыв и изгиб по сравнению с базовыми силиконовыми сетками, сохраняя при этом высокое упругое восстановление силиконовой сетки при высоких деформациях.^[12] Повышенная жесткость также может быть достигнута путем предварительного деформирования полимерных сеток с последующим последовательным формированием вторичной сетки внутри деформированного материала. Это использует преимущество анизотропного деформационного упрочнения исходной сетки (выравнивание цепей из-за растяжения полимерных цепей) и обеспечивает механизм, посредством которого две сети передают напряжение друг другу из-за приложенной деформации к предварительно напряженной сети.^[13]

Стекло

Многие силикатные стекла прочны на сжатие, но слабы при растяжении. Путем введения в конструкцию напряжения сжатия можно повысить предел прочности материала на разрыв. Обычно это осуществляется с помощью двух механизмов: термической обработки (отпуск) или химической ванны (посредством ионного обмена).

В закаленном стекле воздушные форсунки используются для быстрого охлаждения верхней и нижней поверхностей размягченного (горячего) стекла. Поскольку поверхность остывает быстрее, свободного объема на поверхности больше, чем в объеме расплава. Затем сердцевина плиты тянет поверхность внутрь, что приводит к внутреннему сжимающему напряжению на поверхности. Это существенно увеличивает предел прочности материала на разрыв, так как растягивающие напряжения, действующие на стекло, должны теперь разрешить сжимающие напряжения перед податливостью.

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

В качестве альтернативы, при химической обработке обработанная стеклянная пластина, содержащая сеткообразователи и модификаторы, погружается в ванну с расплавом соли, содержащую более крупные ионы, чем те, которые присутствуют в модификаторе. Из-за градиента концентрации ионов должен иметь место массоперенос. По мере того, как более крупный катион диффундирует из расплавленной соли на поверхность, он замещает меньший ион модификатора. Более крупные ионы, вдавливающиеся в поверхность, вызывают сжимающее напряжение на поверхности стекла. Типичным примером является обработка силикатного стекла, модифицированного оксидом натрия, в расплавленном состоянии. хлорид калия. Примеры химически упрочненное стекло находятся Стекло повышенной прочности разработан и изготовлен Corning, AGC Inc. с Dragontrail и Schott AG Xensation.

Композитное усиление

Многие из основных механизмов усиления можно классифицировать в зависимости от их размерности. В 0-D наблюдается упрочнение выделений и твердого раствора с упрочняющей структурой частиц, в 1-D - деформационное / лесное упрочнение с линейными дислокациями в качестве механизма упрочнения, а в 2-D - упрочнение границ зерен с поверхностной энергией границ раздела гранул. обеспечение повышения прочности. Два основных типа композитного армирования, волокнистое армирование и ламинарное армирование, относятся к 1-D и 2-D классам соответственно. Анизотропия прочности волокна и ламинарного композита отражает эти размеры. Основная идея композитного усиления состоит в том, чтобы объединить материалы с противоположными сильными и слабыми сторонами, чтобы создать материал, который передает нагрузку на более жесткий материал, но выигрывает от пластичности и вязкости более мягкого материала.^[14]

Армирование волокном

Армированные волокном композиты (FRC) состоят из матрицы из одного материала, содержащего параллельно внедренные волокна. Существует два варианта армированных волокном композитов: один с жесткими волокнами и пластичной матрицей, а другой - с пластичными волокнами и жесткой матрицей. Примером первого варианта является стекловолокно, которое содержит очень прочные, но хрупкие стеклянные волокна, встроенные 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 разрыв, заделанными в хрупкий бетон с высокой прочностью на сжатие. В обоих случаях матрица и волокна обладают взаимодополняющими механическими свойствами, и поэтому получаемый 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 грубую модель.

Четыре стадии деформации

Состояние армированного волокнами композитного материала при приложении растягивающего напряжения вдоль направления волокон можно разделить на четыре стадии: от небольшой деформации до большой деформации. Поскольку напряжения параллельны волокнам, деформация описывается условием изодеятельности, т. Е. Волокно и матрица испытывают одинаковую деформацию. На каждом этапе сложное напряжение (${displaystyle sigma _ {c}}$) выражается через объемные доли волокна и матрицы (${displaystyle V_ {f}, V_ {m}}$) модули Юнга волокна и матрицы (${displaystyle E_ {f}, E_ {m}}$) деформация композита (${displaystyle epsilon _ {c}}$), а также напряжение волокна и матрицы, считываемое с кривой зависимости напряжения от деформации (${displaystyle sigma _ {f} (epsilon _ {c}), sigma _ {m} (epsilon _ {c})}$).

1. И волокно, и композит остаются в режиме упругой деформации. На этом этапе мы также отметим, что составной модуль Юнга является простой взвешенной суммой двух компонентных модулей.

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

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

2. Волокно остается в упругом режиме, но матрица поддается пластической деформации.

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

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

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

4. Волокно разрушается, а матрица продолжает пластически деформироваться. Хотя на самом деле сломанные куски волокна все еще вносят некоторую прочность, в этой простой модели это исключено.

   ${displaystyle sigma _ {c} приблизительно V_ {m} sigma _ {m} (эпсилон _ {c})}$^[14]

Предел прочности

Из-за неоднородной природы FRC они также имеют несколько значений прочности на разрыв (TS), по одному для каждого компонента. С учетом предположений, изложенных выше, первая прочность на растяжение будет соответствовать разрушению волокон при некоторой поддержке со стороны прочности на пластическую деформацию матрицы, а вторая - при разрушении матрицы.

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

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

Анизотропия (эффекты ориентации)

Вследствие вышеупомянутой размерности (1-D) волоконного армирования наблюдается значительная анизотропия его механических свойств. Следующие уравнения моделируют прочность на разрыв FRC как функцию угла перекоса (${displaystyle heta}$) между волокнами и приложенной силой напряжения, параллельные и перпендикулярные, или ${displaystyle heta = 0}$ и ${displaystyle 90}$^о, случаи (${displaystyle sigma _ {||}, sigma _ {perp}}$), а прочность на сдвиг матрицы (${displaystyle au _ {my}}$).

Малый угол перекоса (продольный излом)

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

Значительный угол перекоса (нарушение сдвига)

${displaystyle TS (heta) = {frac {au _ {my}} {sin (heta) cos (heta)}}}$ ^[14]

Угол смещения, близкий к перпендикулярному (поперечный перелом)

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

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

Ламинарное армирование

Эта статья отсутствует информация о ламинарном армировании. Пожалуйста, разверните статью, чтобы включить эту информацию. Более подробная информация может содержаться на страница обсуждения. (Май 2019)

Приложения и текущие исследования

Упрочнение материалов полезно во многих приложениях. Основное применение усиленных материалов - строительство. Чтобы здания и мосты были более прочными, необходимо иметь прочный каркас, способный выдерживать высокие растягивающие или сжимающие нагрузки и сопротивляться пластической деформации. Стальной каркас, используемый для постройки здания, должен быть максимально прочным, чтобы он не прогибался под всем весом здания. Полимерные кровельные материалы также должны быть прочными, чтобы крыша не прогибалась, когда на ней накапливается снег.

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].

Моделирование молекулярной динамики

Использование компьютерного моделирования для моделирования деформационного упрочнения материалов позволяет непосредственно наблюдать за критическими элементами, которые определяют процесс упрочнения материалов. Основное рассуждение основано на том факте, что при исследовании пластичности и движения дислокаций в материалах часто не учитывается концентрация на атомистическом уровне, и основное внимание уделяется контиуумному описанию материалов. Поскольку практика отслеживания этих атомистических эффектов в экспериментах и ​​теоретических рассуждений о них в учебниках не может дать полного понимания этих взаимодействий, многие обращаются к моделированию молекулярной динамики, чтобы развить это понимание.^[15]

Моделирование работает, используя известные атомные взаимодействия между любыми двумя атомами и соотношение F = ma, так что дислокации, движущиеся через материал, управляются простыми механическими действиями и реакциями атомов. В межатомный потенциал Обычно для оценки этих взаимодействий используется потенциал Леннарда-Джонса 12: 6. Леннард-Джонс широко используется, потому что его экспериментальные недостатки хорошо известны.^[15][16] Эти взаимодействия просто масштабируются до миллионов или миллиардов атомов в некоторых случаях для более точного моделирования материалов.

Молекулярно-динамическое моделирование отображает взаимодействия, основанные на определяющих уравнениях, приведенных выше для механизмов упрочнения. Они предоставляют эффективный способ увидеть эти механизмы в действии за пределами кропотливой области прямого наблюдения во время экспериментов.

Смотрите также

• Укрепление границ зерен
• Усиление осадков
• Упрочнение твердого раствора
• Сопротивление материалов
• Закалка (металлургия)
• Упрочнение

Рекомендации

внешняя ссылка

• Упрочнение границ зерен в оксиде алюминия примесями редкоземельных элементов
• Механизм зернограничного упрочнения сталей
• Набор инструментов Matlab с открытым исходным кодом для анализа передачи скольжения через границы зерен