Ужесточение

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Ужесточение»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( май 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение-шаблон )

Упрочнение - это улучшение сопротивления разрушению данного материала. Вязкость материала описывается необратимой работой, сопровождающей распространение трещин . Конструкция, препятствующая распространению трещин, приводит к упрочнению материала .

Когда трещина распространяется, связанная с ней необратимая работа в разных классах материалов различна. Таким образом, наиболее эффективные механизмы упрочнения различаются для разных классов материалов. Пластичность вершины трещины важна при упрочнении металлов и длинноцепочечных полимеров. Керамика имеет ограниченную пластичность вершины трещины и в первую очередь зависит от различных механизмов упрочнения.

Закалка металлов

В случае пластичного материала, такого как металл, эта вязкость обычно пропорциональна напряжению разрушения и деформации, а также калибровочной длине трещины. Вязкость металла при плоской деформации определяется по формуле ^[1]

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

где - вязкость при плоской деформации, - константа, которая включает в себя напряженное состояние, - напряжение течения при растяжении при разрыве, - деформация разрушения при растяжении, - это радиус вершины трещины.${\displaystyle G_{\mathrm {I} C}}$${\displaystyle B}$${\displaystyle \sigma _{yf}}$${\displaystyle \epsilon _{fr}}$${\displaystyle \rho }$

В материале с низким пределом текучести вершина трещины может быть легко затуплена и образуется больший радиус вершины трещины. Таким образом, в данном металлическом сплаве ударная вязкость в условиях низкой прочности обычно выше, чем в условиях более высокой прочности, поскольку для упрочнения доступна меньшая пластичность. Поэтому некоторые критически важные для безопасности структурные детали, такие как сосуды высокого давления и трубопроводы к рамам из алюминиевого сплава, производятся в относительно низкопрочном исполнении. ^[2] Тем не менее, прочность должна быть улучшена без ущерба для прочности металла. Этой цели можно достичь с помощью разработки нового сплава или улучшения его обработки.

Разработка нового сплава может быть объяснена разной вязкостью в нескольких ферросплавных сплавах. 18% мартенситная сталь имеет более высокую вязкость, чем мартенситная сталь AISI 4340. В сплаве AISI 4340 межузельный углерод присутствует в ОЦК ( объемно- центрированный куб).матрица и оказывает отрицательное влияние на ударную вязкость. В мартенситностареющей стали с 18% Ni содержание углерода ниже, а мартенсит усилен замещающими атомами Ni. Кроме того, эффекты пластичности, вызванной трансформацией (TRIP) в стали, могут обеспечить дополнительную вязкость. В стали TRIP матрица метастабильна и при деформации может трансформироваться в мартенсит. Работа, связанная с фазовым превращением, способствует повышению прочности. В монолитном стеклянном сплаве Pd – Ag – P – Si – Ge свойства высокого объемного модуля и низкого модуля сдвига приводят к увеличению полос сдвига. Эти полосы являются самодостаточными, а их прочность улучшена. ^[3]

Металлы могут быть упрочнены улучшением обработки. Обладая высоким сродством к кислороду, титановый сплав легко поглощает кислород. ^[4] Кислород может способствовать образованию фазы α ₂ . Эти когерентные α ₂ частицы приводят к легкому зарождению трещин и быстрому распространению трещин в плоских полосах скольжения. ^[5] Следовательно, ударная вязкость титанового сплава снижается. Метод многократной вакуумной дуговой плавки (VAR) может использоваться для минимизации содержания кислорода и повышения ударной вязкости сплава. Точно так же фосфор в сталях может резко снизить ударную вязкость. Фосфор может выделяться на границах зерен и приводить к межкристаллитному разрыву. ^[6]Если дефосфоризация улучшается во время выплавки стали, сталь будет упрочнена для снижения содержания фосфора. После соответствующей обработки стали кристаллические зерна и вторые фазы, ориентированные вдоль направления прокатки, могут улучшить ударную вязкость материалов за счет расслоения, которое может ослабить трехосное напряжение и притупить вершину трещины. ^[7]

Металлы также можно упрочнять с помощью методов, описанных ниже для керамики, но эти методы обычно оказывают меньшее влияние на ударную вязкость, чем затупление трещин, вызванное пластичностью.

Упрочнение керамики

Керамика более хрупкая, чем большинство металлов и пластмасс. Необратимая работа, связанная с пластической деформацией, в керамике не представлена. Следовательно, методы, улучшающие ударную вязкость керамики, отличаются от металлов. Существует несколько механизмов упрочнения, называемых отклонением трещин, упрочнением микротрещин, упрочнением после трансформации и перекрытием трещин.

Общие механизмы закалки

Отклонение трещин

В поликристаллической керамике трещина может распространяться межзеренно. Соответствующая необратимая работа на единицу площади равна 2γ-γ _gb , где γ - поверхностная энергия материала, а γ _gb - энергия границы зерен. Хотя необратимая работа уменьшается из-за энергии границ зерен, площадь разрушения увеличивается при распространении межзеренной трещины. Кроме того, трещина типа II может быть вызвана отклонением от нормальной плоскости разрушения во время распространения межкристаллитной трещины, что дополнительно улучшает ударную вязкость керамики. В результате керамика с межкристаллитным изломом показывает более высокую вязкость, чем керамика с трансгранулярным изломом. В SiC вязкость разрушения составляет ~ 2-3, если он трансгранулярно разрушается, а вязкость разрушения повышается до 10${\displaystyle MPa\cdot m^{0.5}}$${\displaystyle MPa\cdot m^{0.5}}$при межкристаллитном переломе. ^[8] Механизмы отклонения трещин приводят к увеличению прочности керамики, демонстрирующей аномальный рост зерна (AGG). Гетерогенные микроструктуры, создаваемые AGG, образуют материалы, которые можно рассматривать как «композиты на месте» или «самоупрочняющиеся материалы». ^[9]

Закалка микротрещин

Упрочнение микротрещин означает, что образование микротрещин перед основной трещиной может привести к упрочнению керамики. Дополнительные микротрещины вызовут концентрацию напряжения перед основной трещиной. Это приводит к дополнительной необратимой работе, необходимой для распространения трещины. Кроме того, эти микротрещины могут вызывать ответвления трещин, а одна трещина может образовывать несколько трещин. Из-за образования этих трещин увеличивается необратимая работа. Прирост вязкости из-за закалки микротрещин можно выразить следующим образом: ^[1]${\displaystyle G_{C}}$

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

где - расстояние между микротрещинами и плоскостью излома, - остаточное напряжение, - разность коэффициентов теплового расширения между соседними зернами, - это разница температур, вызывающая тепловую деформацию, и - это доля зерен, относящаяся к микротрещинам в затронутом объеме. В этом уравнении предполагается, что остаточное напряжение является преобладающим в зарождающихся микротрещинах, а образование микротрещин вызывается упругой работой. Чтобы замедлить распространение трещин, эти микротрещины должны образовываться во время распространения трещин. Размер зерна должен быть меньше критического, чтобы избежать самопроизвольного образования микротрещин. Расстояние между микротрещиной и плоскостью излома должно быть больше размера зерна, чтобы иметь эффект упрочнения.${\displaystyle r_{c}}$${\displaystyle \sigma _{R}}$${\displaystyle \Delta \alpha }$${\displaystyle \Delta T}$${\displaystyle V_{f}}$

Ужесточение трансформации

Схема трансформационного упрочнения частично стабилизированного диоксида циркония

Эффект TRIP обнаружен в частично стабилизированном диоксиде циркония. Частично стабилизированный диоксид циркония состоит из тетрагональной фазы при высокой температуре и моноклинной фазы и кубической фазы при более низкой температуре в равновесии. В некоторых компонентах температура начала тетрагонального моноклинного мартенситного превращения ниже комнатной температуры. Поле напряжений около вершины трещины запускает мартенситное превращение со скоростями, которые, как предполагается, близки к скорости звука в материале. ^[10] Мартенситное превращение вызывает объемное расширение (объемная / дилатационная деформация) и деформации сдвига примерно на 4% и 16% соответственно. Он прикладывает сжимающее напряжение в вершине трещины, чтобы предотвратить распространение трещины, а также замыкающее сцепление на следе трещины. ^[11]С другой стороны, работа, связанная с этим фазовым превращением, способствует повышению прочности. Прирост вязкости, вызванный трансформационным упрочнением, можно выразить следующим образом: ^[1]

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

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

Перекрытие трещин

Когда трещина распространяется по неправильной траектории, некоторые зерна с каждой стороны основной трещины могут выступать на другую сторону. Это приводит к дополнительной работе для полного перелома. Эта необратимая работа связана с остаточным стрессом, о котором идет речь. Прирост прочности можно выразить следующим образом: ^[1]

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

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

Есть и другие подходы к повышению прочности керамики за счет перекрытия трещин. Явление аномального роста зерен , или AGG, можно использовать для создания микроструктуры, перекрывающей трещины, в однофазном керамическом материале. Наличие аномально длинных зерен перекрывает трещины-следы и препятствует их раскрытию. ^[12] Это было продемонстрировано на карбиде кремния и нитриде кремния . Аномально крупные зерна могут также способствовать повышению прочности керамики за счет механизмов отклонения трещин. Формирование текстурированной внутренней структуры керамики можно использовать как метод закалки. ^[13] материалы из карбида кремния стали более жесткими благодаря этому подходу. ^[14] Поскольку площадь межфазной поверхности увеличивается из-за внутренней структуры, в этом материале увеличивается работа необратимого разрушения.

Упрочнение композитов

В композитах с металлической матрицей (MMC) добавки упрочняют металл и снижают ударную вязкость материала. В композитах с керамической матрицей (КМЦ) добавки могут упрочнять материалы, но не усиливать их. в то же время. В композитах, армированных углеродным волокном (CFRP), графитовые волокна могут одновременно повышать жесткость и упрочнять полимер. В объемных композитных материалах с металлическим стеклом (BMG) дендриты добавляются для предотвращения движения полосы сдвига и повышения ударной вязкости. ^[15]

Если волокна имеют большую деформацию разрушения, чем матрица, композит упрочняется за счет перекрытия трещин. Прочность композита можно выразить: ^[1]

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

где и - ударная вязкость матрицы и волокон соответственно, а - объем матрицы и волокон соответственно, - дополнительная ударная вязкость, вызванная мостиковым упрочнением. После того, как трещина распространяется по волокну, волокно удлиняется и вытягивается из матрицы. Эти процессы соответствуют пластической деформации и работе отрыва и способствуют упрочнению композита.${\displaystyle G_{m}}$${\displaystyle G_{f}}$${\displaystyle V_{m}}$${\displaystyle V_{f}}$${\displaystyle \Delta G_{C}}$

Когда волокно хрупкое, работа по вытягиванию преобладает над необратимой работой, способствующей упрочнению. Увеличение ударной вязкости, вызванное работой отрыва, может быть выражено следующим образом: ^[1]

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

где - отношение между длиной дебонд и критическая длина, - прочность волокон, - ширина волокна, - доля волокон, - напряжение трения на границе раздела. Из уравнения можно найти, что более высокая объемная доля, более высокая прочность волокна и более низкое межфазное напряжение могут обеспечить лучший эффект упрочнения.${\displaystyle \beta }$${\displaystyle \sigma _{f}}$${\displaystyle d}$${\displaystyle V_{f}}$${\displaystyle \tau }$

Перекрытие трещин в вязкой фазе

Когда волокно является пластичным, работа за счет пластической деформации в основном способствует улучшению упрочнения. Дополнительная вязкость, вносимая пластической деформацией, может быть выражена следующим образом: ^[1]

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

где - константа от 1,5 до 6, - напряжение текучести волокон, - деформация разрушения волокон, - доля волокон, - длина дебондирования. Из уравнения можно определить, что более высокое напряжение течения и большая длина дебондра могут улучшить упрочнение. Тем не менее, большая длина дебонга обычно приводит к снижению напряжения течения из-за потери ограничения для пластической деформации.${\displaystyle C}$${\displaystyle \sigma _{y}}$${\displaystyle \epsilon _{y}}$${\displaystyle V_{f}}$${\displaystyle l_{d}}$

Вязкость композита с пластической фазовой упрочнением также может быть показана с использованием коэффициента интенсивности напряжений путем линейного наложения матрицы и перекрытия трещин на основе решений Tada. ^[16] Эта модель может предсказывать поведение для мелкомасштабного перекрытия (длина моста << длина трещины) в условиях монотонной нагрузки, но не для крупномасштабного перекрытия. ^{[17] [18]}${\displaystyle K_{c}}$

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

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

Упрочнение полимеров

Механизмы упрочнения полимеров аналогичны тем, которые обсуждались выше. Для объяснения упрочнения полимеров используется всего несколько примеров. В ударопрочном полистироле (HIPS) эластомерная дисперсия используется для улучшения сопротивления распространению трещин. При распространении магистральной трещины вокруг эластомерной дисперсии выше или ниже плоскости разрушения образуются микротрещины. Укрепление HIPS осуществляется за счет дополнительной работы по образованию микротрещин. В эпоксидных смолах частицы стекла используются для повышения прочности материалов. Механизм закалки аналогичен прогибу трещины. Добавление пластификаторов в полимеры также является хорошим способом повышения их прочности. ^[1]

использованная литература