Механизмы усиления материалов

Эта статья может потребовать очистки, чтобы соответствовать стандартам качества Википедии . Нет очистки причина не была указана. Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, если можете. ( Октябрь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Были разработаны методы изменения предела текучести , пластичности и ударной вязкости как кристаллических, так и аморфных материалов. Эти механизмы упрочнения дают инженерам возможность изменять механические свойства материалов для различных областей применения. Например, благоприятные свойства результата стали из интерстициального включения углерода в железную решетку. Латунь , бинарный сплав из меди и цинка, имеет превосходные механические свойства по сравнению с составляющими его металлами за счет упрочнения раствора. Деформационное упрочнение (такое как избиение раскаленного металла по наковальне) на протяжении веков также использовалось кузнецами для внесения дислокаций в материалы и повышения их предела текучести .

Основное описание [ править ]

Пластическая деформация возникает, когда большое количество дислокаций перемещается и размножается, что приводит к макроскопической деформации. Другими словами, это движение дислокаций в материале, которое допускает деформацию. Если мы хотим улучшить механические свойства материала (то есть увеличить текучесть и предел прочности ), нам просто нужно ввести механизм, который запрещает 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 этот 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, чтобы уменьшить подвижность дислокаций, тем самым увеличивая механическую прочность. Дислокации могут быть закреплены из-за поля напряженийвзаимодействует с другими дислокациями и частицами растворенного вещества, создавая физические барьеры от выделений второй фазы, образующихся вдоль границ зерен. Существует пять основных механизмов упрочнения металлов, каждый из которых является методом предотвращения движения и распространения дислокации или создания энергетически невыгодного для дислокации движения. Для материала, который был упрочнен 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 деформации через такие механизмы, как хрупкое разрушение, образование трещин и 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, описанных ниже, предполагает некоторый компромисс, из-за которого другие свойства материала ухудшаются в процессе упрочнения.

Механизмы усиления в металлах [ править ]

Закалка [ править ]

Основными видами деформационного упрочнения являются дислокации. 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, вызывая образование излома, препятствующего движению дислокации. Эти запутывания и выступы действуют как точки закрепления, которые препятствуют движению дислокации. Поскольку оба этих процесса более вероятны, когда присутствует больше дислокаций, существует корреляция между плотностью дислокаций и прочностью на сдвиг.

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

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

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

Плотность дислокаций определяется как длина линии дислокации в единице объема:

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

Точно так же осевое упрочнение будет пропорционально плотности дислокаций.

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

Это соотношение не применяется, когда дислокации образуют клеточные структуры. Когда формируются клеточные структуры, средний размер клеток контролирует эффект упрочнения. ^[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 ( ), σ ≈ E 10 {\displaystyle \sigma \approx {\frac {E}{10}}} поскольку пластическая деформация потребует разрыва многих связей одновременно. Однако при умеренных значениях плотности дислокаций около 10 ⁷ -10 ⁹ дислокаций / м ², 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 10 ¹⁴ дислокаций / м ² или выше прочность материала снова становится высокой. Кроме того, плотность дислокаций не может быть бесконечно высокой, потому что в этом случае материал потеряет свою кристаллическую структуру. ^{Нужна цитата}

Упрочнение и легирование твердого раствора [ править ]

Для этого механизма упрочнения растворенные атомы одного элемента добавляются к другому, что приводит либо к точечным дефектам замещения, либо к межузельным точечным дефектам в кристалле (см. Рисунок 1). Атомы растворенного вещества вызывают искажения решетки, которые препятствуют 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 размера растворенного вещества , которые мешают расположению близлежащих дислокаций, заставляя атомы растворенного вещества действовать как потенциальные барьеры.

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

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

где - концентрация растворенного вещества, а - нагрузка на материал, вызванная растворенным веществом.${\displaystyle c}$${\displaystyle \epsilon }$

Увеличение концентрации растворенных атомов увеличит предел текучести материала, но есть предел количества растворенного вещества, которое может быть добавлено, и следует смотреть на фазовую диаграмму 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, потому что 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.

Закалка осадков [ править ]

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 рис. 2) частицы будут подвергаться воздействию матрицы, и межфазная энергия частицы и матрицы увеличится. Для более крупных частиц осадка может возникнуть петля или искривление дислокаций, что приведет к увеличению длины дислокаций. Следовательно, при критическом радиусе около 5 нм дислокации предпочтительно будут пересекать препятствие, в то время как для радиуса 30 нм дислокации будут легко изгибаться или петлять, преодолевая препятствие.

Математические описания следующие:

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

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

Усиление дисперсии [ править ]

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 дисперсное упрочнение оксидов .

Укрепление границ зерен [ править ]

В поликристаллическом металле размер зерна имеет огромное влияние на механические свойства. Поскольку зерна обычно имеют различную кристаллографическую ориентацию, возникают границы зерен. При деформации будет иметь место скольжение. Границы зерен препятствуют движению дислокаций по двум причинам:

1. Дислокация должна менять направление своего движения из-за разной ориентации зерен. ^[4]
2. Разрыв 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 на границах зерен. Это затрудняет перемещение дислокаций в соседние зерна. Эта связь является соотношением Холла-Петча и может быть математически описана следующим образом:

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

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

Тот факт, что предел текучести увеличивается с уменьшением размера зерна, сопровождается предупреждением о том, что размер зерна не может быть уменьшен бесконечно. По мере уменьшения размера зерна образуется больше свободного объема, что приводит к рассогласованию решеток. Ниже примерно 10 нм границы зерен будут 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 [ править ]

Этот метод закалки применяется для сталей.

Высокопрочные стали обычно делятся на три основные категории, классифицируемые по используемому механизму упрочнения. 1- стали, упрочненные твердым раствором (стали Rephos) 2- стали с уменьшенным зерном или высокопрочные низколегированные стали (HSLA) 3- стали с трансформационным упрочнением

Трансформационно-упрочненные стали - 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 различным уровнем вырожденного мартенсита. Это позволяет использовать различные уровни силы. Существует три основных типа трансформационно-закаленных сталей. Это двухфазные (DP), пластичные при превращении (TRIP) и мартенситные стали.

Процесс отжига двухфазных сталей заключается в том, что сначала сталь выдерживают 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. Контролируя количество мартенсита в стали, а также степень отпуска, можно контролировать уровень прочности. В зависимости от обработки и химического состава уровень прочности может составлять от 350 до 960 МПа.

Стали TRIP также используют 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 диффузии C и Mn в аустенит. Затем сталь закаливают до температуры, 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. При окончательной закалке 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 имеют высокое содержание C и Mn. Во время обработки они полностью закалены до мартенсита. Затем мартенситную структуру снова отпускают до соответствующего уровня прочности, что увеличивает прочность стали. Предел прочности на разрыв для этих сталей достигает 1500 МПа.

Механизмы упрочнения в аморфных материалах [ править ]

Полимер [ править ]

Полимеры разрушение с помощью взлома внутри- и молекулярных связей; следовательно, химическая структура этих материалов играет огромную роль в повышении прочности. Для полимеров, состоящих из цепей, которые легко скользят друг мимо друга, можно использовать химическое и физическое сшивание для увеличения жесткости и предела текучести. В термореактивных полимерах ( термореактивный пластик ) дисульфидные мостики и другие ковалентные 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 образованию трещин, обычно это стеклообразные хрупкие полимеры. ^[8] В термопластичный эластомер, фазовое разделение разнородных мономерных компонентов приводит к объединению твердых доменов в море мягкой фазы, что дает физическую структуру с повышенной прочностью и жесткостью. 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 наполнителей, таких как волокна, пластинки и частицы, является широко используемым методом для упрочнения полимерных материалов. Такие наполнители, как глина, диоксид кремния 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 характерно для случаев, когда наполнители подвергаются химической обработке для сильного взаимодействия с полимерными цепями, увеличивая прикрепление полимерных цепей к границам раздела наполнителя и, таким образом, 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]

Еще одним механизмом усиления является увеличение объема мономерного звена за счет включения арильных колец. Анизотропии молекулярной структуры означает , что эти механизмы в значительной степени 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 для компенсации этой анизотропии . Например, высокая прочность кевлара 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 ориентированнымиполиэтилен , очень склонны к образованию полос сдвига, поэтому макроскопические структуры, которые размещают нагрузку параллельно направлению вытяжки, увеличивают прочность. ^[8]

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

Взаимопроникающие полимерные сети (IPN), состоящие из переплетенных сшитых полимерных сетей, 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 IPN демонстрируют повышенную прочность на разрыв и изгиб по сравнению с базовыми силиконовыми сетками, сохраняя при этом высокое упругое восстановление силиконовых сеток 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 приложенного напряжения к предварительно напряженной сети. ^[13]

Стекло [ править ]

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

В закаленных стеклах 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 притягивает 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.

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

В качестве альтернативы, при химической обработке обработанная стеклянная плита, 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 более мелкий ион модификатора. Более крупные ионы, вдавливающиеся в поверхность, вызывают сжимающее напряжение на поверхности стекла. Типичным примером является обработка силикатного стекла, модифицированного оксидом натрия, в расплаве хлорида калия . Примеры химически усиленного стекла являются Gorilla Glass разработаны и изготовлены Corning , AGC Inc. «S Dragontrailи Xensation Schott AG .

Композитное усиление [ править ]

Многие из основных механизмов усиления можно классифицировать в зависимости от их размерности. В 0-D наблюдается упрочнение выделений и твердого раствора со структурой упрочнения частиц, в 1-D - деформационное / лесное упрочнение с линейными дислокациями в качестве механизма упрочнения, а в 2-D - упрочнение границ зерен с поверхностной энергией гранулированных границ раздела. обеспечение повышения прочности. Два основных типа композитного усиления, 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 [ править ]

Армированные волокном композиты (FRC) состоят из матрицы из одного материала, содержащего параллельно внедренные волокна. Существует два варианта композитов, армированных волокном: 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 [ править ]

Состояние армированного волокнами композита 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 изостравления, т. Е. Волокно и матрица испытывают одинаковую деформацию. На каждом этапе композитное напряжение ( ) задается в виде объемных долей волокна и матрицы ( ), модулей Юнга волокна и матрицы ( ), деформации композита ( ) и напряжения волокна. и матрица, считанная с кривой напряжения-деформации ( ).${\displaystyle \sigma _{c}}$${\displaystyle V_{f},V_{m}}$${\displaystyle E_{f},E_{m}}$${\displaystyle \epsilon _{c}}$${\displaystyle \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.

   ${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\epsilon _{c}E_{f}+V_{m}\epsilon _{c}E_{m}}$ ^[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 же вносят некоторую прочность, в этой простой модели это исключено.

   ${\displaystyle \sigma _{c}\approx V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$^[14]

Прочность на растяжение [ править ]

Из-за неоднородной природы FRC они также обладают несколькими значениями 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.

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

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

Анизотропия (эффекты ориентации) [ править ]

В результате вышеупомянутой размерности (1-D) волоконного армирования наблюдается значительная анизотропия его механических свойств. Следующие уравнения моделируют прочность на разрыв FRC как функцию угла смещения ( ) между волокнами и приложенной силы, напряжений в параллельном и перпендикулярном или и ^o , случаях ( ) и прочности на сдвиг матрицы. ( ).${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \theta =0}$${\displaystyle 90}$${\displaystyle \ \sigma _{||},\sigma _{\perp }}$${\displaystyle \tau _{my}}$

Малый угол перекоса (продольный излом)

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

Значительный угол перекоса (разрушение при сдвиге)

${\displaystyle TS(\theta )={\frac {\tau _{my}}{\sin(\theta )\cos(\theta )}}}$ ^[14]

Угол смещения, близкий к перпендикулярному (поперечный перелом)

Угол близок к 90 ^°, 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 корпусу с малым углом, с аналогичной формой, но с углом .${\displaystyle 90-\theta }$

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

Ламинарное армирование [ править ]

Приложения и текущие исследования [ править ]

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, из которого строится здание, должен быть максимально прочным, чтобы он не прогибался под всем весом здания. Полимерные кровельные материалы также должны быть прочными, чтобы крыша не прогибалась при нарастании снега на крыше.

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

Моделирование молекулярной динамики [ править ]

Использование компьютерного моделирования для моделирования деформационного упрочнения материалов позволяет напрямую наблюдать за критическими элементами, которые определяют процесс упрочнения материалов. Основное рассуждение основано на том факте, что при изучении пластичности и движения дислокаций в материалах акцент на атомистическом уровне часто не принимается во внимание, 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 с использованием известных атомных взаимодействий между любыми двумя атомами и отношения F = ma, так что дислокации, движущиеся через материал, управляются простыми механическими действиями и реакциями атомов. Межатомный потенциал , как правило , используется для оценки этих взаимодействий является Леннард - Джонс 12: 6 потенциала. Леннард-Джонс получил широкое признание, 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.

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• 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