Versterkingsmeganismes van materiale

Metodes bestaan om die treksterkte, rekbaarheid en taaiheid van beide kristallyne en amorfe materiale te verander. Hierdie versterkingsmeganismes gee ingenieurs die vermoë om die meganiese eienskappe van materiale aan te pas vir 'n verskeidenheid toepassings. Die voortreflike eienskappe van staal is byvoorbeeld die gevolg van interstisiële insluiting van koolstof in die ysterrooster. Geelkoper, 'n binêre legering van koper en sink, het uitmuntende meganiese eienskappe in vergelyking met sy samestellende metale as gevolg van oplosversterking. Werkverharding (soos om 'n stuk metaal met 'n hamer op aambeeld te slaan) word ook vir eeue deur smede gebruik om ontwrigtings in materiale te skep, wat hul treksterkte verhoog.

Basiese beskrywing

Plastiese vervorming vind plaas wanneer groot getalle ontwrigtings beweeg en vermenigvuldig sodat dit makroskopiese vervorming tot gevolg het. Met ander woorde, dit is die beweging van ontwrigtings in die materiaal wat vervorming moontlik maak. As ons 'n materiaal se meganiese eienskappe wil verbeter (dws die vloeispanning en treksterkte verhoog ), moet ons eenvoudig 'n meganisme daarstel wat die beweeglikheid van ontwrigtings belemmer. Wat die meganisme ook al mag wees, werkverharding, korrelgrootte-verkleining, ens., dit belemmer ontwrigtingbeweging en maak die materiaal sterker.

Die spanning wat nodig is om ontwrigtingbeweging te veroorsaak, is ordegrootes laer as die teoretiese spanning wat nodig is om 'n hele vlak van atome te skuif; dus is hierdie modus van spanningsverligting energeties voordelig. Die hardheid en sterkte (beide vloei- en treksterkte) hang dus krities af van die gemak waarmee ontwrigtings beweeg. Vaspenpunte, of gebiede in die kristal wat die beweging van ontwrigtings hinder, kan in die rooster ingebring word om ontwrigting-beweeglikheid te verminder en sodoende meganiese sterkte te verhoog. Ontwrigtings kan vasgepen word as gevolg van spanningsveldinteraksies met ander ontwrigtings en oplosbare partikels, wat tweedefase-presipitate skep langs korrelgrense .

Daar is ses hoofversterkingsmeganismes vir metale, elkeen is 'n metode om ontwrigtingbeweging en voortplanting te voorkom, of om dit energeties ongunstig te maak vir ontwrigtings om te beweeg. Vir 'n materiaal wat deur een of ander verwerkingsmetode versterk is, is die spanning wat nodig is om onomkeerbare plastiese vervorming te begin, groter as wat dit vir die oorspronklike materiaal was.

In amorfe materiale soos polimere, amorfe keramiek (en glas) en amorfe metale, lei die gebrek aan langafstand-orde tot falingsmeganismes soos brosbreuke, kraakvorming en skuifbandvorming. In hierdie stelsels behels versterkingsmeganismes nie die beweging van ontwrigtings nie, maar bestaan eerder uit veranderinge aan die chemiese struktuur en verwerking van die samestellende materiaal.

Die sterkte van materiale kan nie oneindig toeneem nie. Elkeen van die meganismes wat hieronder verduidelik word, behels tot 'n mate 'n kompromis waardeur ander materiaal-eienskappe in die gedrang kom in die proses van versterking.

Werkverharding

Die primêre spesie wat verantwoordelik is vir werkverharding is ontwrigtings. Ontwrigtings is in wisselwerking met mekaar deur spanningsvelde in die materiaal te genereer. Die interaksie tussen die stresvelde van ontwrigtings kan ontwrigtingbeweging belemmer deur afstotende of aantrekende interaksies. Verder, as twee ontwrigtings kruis, vind ontwrigtinglynverstrengeling plaas, wat die vorming van 'n uitwyking veroorsaak wat ontwrigtingbeweging teenstaan. Hierdie verstrengelinge en uitwykings dien as vaspenpunte wat ontwrigtingbeweging belemmer. Aangesien beide hierdie prosesse meer geneig is om voor te kom wanneer meer ontwrigtings teenwoordig is, is daar 'n korrelasie tussen ontwrigtingsdigtheid en skuifsterkte.

Die skuifversterking wat deur ontwrigting-interaksies verskaf word, kan beskryf word deur:

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

waar $\alpha$ 'n eweredigheidskonstante is, $G$ die skuifmodulus, $b$ die Burgers-vektor, en $\rho _{\perp }$ die ontwrigtingsdigtheid.

Ontwrigtingsdigtheid word gedefinieer as die ontwrigtingslyn-lengte per eenheid volume:

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

Soortgelyk sal die aksiale versterking eweredig wees aan die ontwrigtingsdigtheid .

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

Hierdie verwantskap is nie van toepassing wanneer ontwrigtings selstrukture vorm nie. Wanneer selstrukture gevorm word, beheer die gemiddelde selgrootte die versterkingseffek.

Die verhoging van die ontwrigtingsdigtheid verhoog die vloeisterkte, wat lei tot 'n hoër skuifspanning wat nodig is om die ontwrigtings te beweeg. Hierdie proses word maklik waargeneem terwyl 'n materiaal bewerk word (deur 'n proses van koue bewerking van metale). Teoreties sal die sterkte van 'n materiaal met geen ontwrigtings uiters hoog wees omdat plastiese vervorming die gelyktydige breek van baie bindings sal vereis. By matige ontwrigtingsdigtheidwaardes van ongeveer 10⁷-10⁹ ontwrigtings/m² sal die materiaal egter 'n aansienlik laer meganiese sterkte vertoon. Analoog is dit makliker om 'n rubbermat oor 'n oppervlak te beweeg deur 'n klein rimpeling daardeur te versprei as om die hele mat te sleep. By ontwrigtingsdigthede van 10¹⁴ ontwrigtings/m² of hoër word die sterkte van die materiaal weer hoog. Die ontwrigtingsdigtheid kan ook nie oneindig hoog wees nie, want dan sal die materiaal sy kristallyne struktuur verloor.

Hier is 'n skematiese voorstelling van hoe die rooster gespan word deur die byvoeging van interstisiëel- opgeloste atome. Let op die spanning in die rooster wat die opgeloste atome veroorsaak. Die interstisiëel-opgeloste atoom kan byvoorbeeld koolstof in yster wees. Die koolstofatome in die interstisiële posisies in die rooster skep 'n spanningsveld wat ontwrigtingbeweging belemmer.

Hier is 'n skematiese voorstelling van hoe die rooster vervorm word deur die byvoeging van substitusioneel-opgeloste atome. Let op die vervorming van die rooster veroorsaak deur die opgeloste atoom.

Vastestof-oplossing versterking en legering

Vir hierdie versterkingsmeganisme word opgeloste atome van een element by 'n ander gevoeg, wat óf substitusionele óf interstisiële puntdefekte in die kristal tot gevolg het (sien Figuur regs). Die opgeloste atome veroorsaak roostervervormings wat ontwrigtingbeweging belemmer, wat die vloeispanning van die materiaal verhoog. Opgeloste atome het spanningsvelde rondom hulle wat in wisselwerking kan tree met dié van ontwrigtings. Die teenwoordigheid van opgeloste atome veroorsaak druk- of trekspannings in die rooster, afhangende van die opgeloste stof se grootte, wat inmeng met nabygeleë ontwrigtings, wat veroorsaak dat die opgeloste atome as potensiële hindernisse optree.

Die skuifspanning wat nodig is om ontwrigtings in 'n materiaal te beweeg is:

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

waar $c$ die opgelostestof-konsentrasie is en $\epsilon$ die vervorming van die materiaal wat deur die opgeloste stof veroorsaak word.

Die verhoging van die konsentrasie van die opgeloste atome sal die vloeisterkte van 'n materiaal verhoog, maar daar is 'n beperking op die hoeveelheid opgeloste stof wat bygevoeg kan word, en 'n mens moet die fasediagram vir die materiaal en die legering raadpleeg om seker te maak dat 'n tweede fase nie geskep word nie.

Oor die algemeen hang die vaste-oplossingversterking af van die konsentrasie van die opgelostestofatome, die skuifmodulus van die opgeloste stofatome, die grootte van opgelostestofatome, die valensie van opgelostestofatome (vir ioniese materiale) en die simmetrie van die opgelostestof-spanningsveld. Die mate van versterking is hoër vir nie-simmetriese spanningsvelde omdat hierdie opgeloste stowwe met beide kant- en skroefontwrigtings in wisselwerking kan tree, terwyl simmetriese spanningsvelde, wat slegs volumeverandering veroorsaak en nie vormverandering nie, slegs op kant-ontwrigtings kan inwerk.

Figuur 2: 'n Voorstelling van hoe die ontwrigtings op 'n deeltjie kan inwerk. Dit kan óf deur die deeltjie sny óf om die deeltjie buig en 'n ontwrigtinglus skep soos dit oor die deeltjie beweeg.

Presipitasieverharding

In die meeste binêre stelsels sal legering bo 'n konsentrasie wat deur die fasediagram aangedui word die vorming van 'n tweede fase veroorsaak. 'n Tweede fase kan ook geskep word deur meganiese of termiese behandelings. Die deeltjies wat die neerslag van die tweede fase uitmaak, dien as vaspenpunte op soortgelyke wyse as opgeloste stowwe, hoewel die deeltjies nie noodwendig enkele atome is nie.

Die ontwrigtings in 'n materiaal kan op een van twee maniere met die neerslagatome in wisselwerking tree (sien Figuur 2). As die neerslagatome klein is, sal die ontwrigtings daardeur sny. As gevolg hiervan sal nuwe oppervlakke (b in Figuur 2) van die deeltjie aan die matriks blootgestel word en die deeltjie-matriks-grensvlakenergie sal toeneem. Vir groter neerslagdeeltjies sal buiging van die ontwrigtings voorkom en daartoe lei dat ontwrigtings langer word. Dus, by 'n kritieke radius van ongeveer 5 nm, sal ontwrigtings verkieslik deur die hindernis sny, terwyl vir 'n radius van 30 nm, sal die ontwrigtings maklik buig of 'n lus vorm om die hindernis te oorkom.

Die wiskundige beskrywings is soos volg:

Om om deeltjies te buig- $\Delta \tau ={Gb \over L-2r}$

Om deur deeltjies te sny- $\Delta \tau ={\gamma \pi r \over bL}$

Figuur 3: 'n Skema wat die konsep van ontwrigting-opstapeling rofweg illustreer en hoe dit die sterkte van die materiaal beïnvloed. 'n Materiaal met groter korrelgrootte kan meer ontwrigtings hê om op te stapel, wat lei tot 'n groter dryfkrag vir ontwrigtings om van een korrel na 'n ander te beweeg. Minder krag hoef dus toegepas te word om 'n ontwrigting van 'n groter korrele te beweeg as van 'n kleiner korrel, wat daartoe lei dat materiale met kleiner korrels hoër trekspannings het.

Dispersieversterking

Dispersieversterking is 'n tipe partikelversterking waarin niekoherente presipitate ontwrigtings aantrek en vaspen. Hierdie deeltjies is tipies groter as dié in die Orowon-presipitasieverharding wat hierbo bespreek is. Die effek van dispersieversterking is effektief by hoë temperature, terwyl neerslagversterking dmv hittebehandelings tipies beperk word tot temperature wat baie laer is as die smelttemperatuur van die materiaal. Een algemene tipe dispersieversterking is oksied-dispersieversterking.

Korrelgrensversterking

In 'n polikristallyne metaal het korrelgrootte 'n baie belangrike invloed op die meganiese eienskappe. Omdat korrels gewoonlik verskillende kristallografiese oriëntasies het, ontstaan korrelgrense. Terwyl vervorming ondergaan word, sal glybeweging plaasvind. Korrelgrense dien om die volgende twee redes as 'n belemmering vir ontwrigtingbeweging:

1. 'n Ontwrigting moet sy bewegingsrigting verander as gevolg van die verskillende oriëntasie van korrels. </br> 2. Diskontinuïteit van glipvlakke van korrel een tot korrel twee.

Die spanning wat nodig is om 'n ontwrigting van een korrel na 'n ander te beweeg om 'n materiaal plasties te vervorm, hang af van die korrelgrootte. Die gemiddelde aantal ontwrigtings per korrel neem af met gemiddelde korrelgrootte (sien Figuur 3). 'n Laer aantal ontwrigtings per korrel lei tot 'n laer ontwrigting-'druk' wat by graangrense opbou. Dit maak dit moeiliker vir ontwrigtings om na aangrensende korrels in te beweeg. Hierdie verhouding is die Hall-Petch verhouding en kan wiskundig soos volg beskryf word:

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

waar $k$ 'n konstante is , $d$ is die gemiddelde korreldeursnee en $\sigma _{y,0}$ die oorspronklike vloeispanning.

Die feit dat die vloeispanning toeneem met dalende korrelgrootte, gaan gepaard met die voorbehoud dat die korrelgrootte nie oneindig kleiner kan word nie. Soos die korrelgrootte afneem, word meer vrye volume gegenereer, wat lei tot roosterwanpassing. Onder ongeveer 10 nm, sal die korrelgrense eerder geneig wees om te gly; 'n verskynsel bekend as korrelgrensgly. As die korrelgrootte te klein word, word dit moeiliker om die ontwrigtings in die korrel te pas en die spanning wat nodig is om dit te verskuif is minder. Tot onlangs was dit nie moontlik om materiale met korrelgroottes onder 10 nm te maak nie, dus vind die ontdekking dat sterkte onder 'n kritieke korrelgrootte afneem steeds nuwe toepassings.

Transformasieverharding

Hierdie metode van verharding word vir staal gebruik.

Hoësterkte-staalsoorte val oor die algemeen in drie basiese kategorieë, geklassifiseer volgens die versterkingsmeganisme wat gebruik word. 1- vaste-oplossing-versterkte staal (rephos-stale) 2- korrelverfynde staal of hoë-sterkte-lae-legeringstaal (HSLA) 3- transformasieverharde staal.