Механизмы усиления материалов

Были разработаны методы для изменения предела текучести, пластичности и вязкости как кристаллических, так и аморфных материалов. Эти механизмы укрепления дают инженерам возможность адаптировать механические свойства материалов для соответствия различным различным приложениям. Например, благоприятные свойства стали являются результатом внедрения углерода в решетку железа. Латунь, бинарный сплав меди и цинка, обладает превосходными механическими свойствами по сравнению с входящими в ее состав металлами благодаря упрочнению раствором. Упрочнение при обработке (например, удары раскаленного куска металла по наковальне) также использовалось кузнецами на протяжении столетий для введения дислокаций в материалы, что увеличивало их предел текучести.

Основное описание

Пластическая деформация происходит, когда большое количество дислокаций перемещается и размножается, что приводит к макроскопической деформации. Другими словами, именно движение дислокаций в материале допускает деформацию. Если мы хотим улучшить механические свойства материала (т. е. увеличить предел текучести и прочность на разрыв), нам просто нужно ввести механизм, который запрещает подвижность этих дислокаций. Каким бы ни был механизм (упрочнение, уменьшение размера зерна и т. д.), все они препятствуют движению дислокаций и делают материал прочнее, чем прежде.

Напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать движение дислокации, на порядки ниже теоретического напряжения, необходимого для смещения всей плоскости атомов, поэтому такой способ снятия напряжений энергетически выгоден. Следовательно, твердость и прочность (как текучесть, так и растяжение) критически зависят от легкости движения дислокаций. Точки закрепления или места в кристалле, которые препятствуют движению дислокаций, могут быть введены в решетку, чтобы уменьшить подвижность дислокаций и тем самым увеличить механическую прочность. Дислокации могут быть закреплены из-за взаимодействия поля напряжений с другими дислокациями и частицами растворенного вещества, создавая физические барьеры для выделений второй фазы, образующихся вдоль границ зерен. Существует пять основных механизмов упрочнения металлов, каждый из которых представляет собой способ предотвратить движение и распространение дислокации или сделать ее движение энергетически невыгодным. Для материала, упрочненного каким-либо методом обработки, величина силы, необходимой 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 текучести по таким механизмам, как хрупкое разрушение, образование трещин и образование 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, подразумевает некоторый компромисс, при котором другие свойства материала ухудшаются в процессе укрепления.

Механизмы упрочнения металлов

Деформационное упрочнение

Основным видом, ответственным за наклеп, являются дислокации. Дислокации взаимодействуют друг с другом, создавая в материале поля напряжений. Взаимодействие между полями напряжений дислокаций может затруднять движение дислокаций за счет отталкивающих или притягивающих взаимодействий. Кроме того, если две дислокации пересекаются, происходит запутывание линий дислокаций, вызывающее образование выступа, препятствующего движению дислокаций. Эти запутывания и неровности действуют как точки закрепления, препятствующие движению дислокаций. Поскольку оба этих процесса более вероятны при наличии большего количества дислокаций, существует корреляция между плотностью дислокаций и прочностью на сдвиг.

Упрочнение при сдвиге, обеспечиваемое взаимодействием дислокаций, можно описать следующим образом:

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

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

Плотность дислокаций определяется как длина линии дислокации в единице объема:

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

Аналогично, осевое упрочнение будет пропорционально плотности дислокаций.

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

Это соотношение не применяется, когда дислокации образуют ячеистые структуры. Когда образуются ячеистые структуры, средний размер ячеек контролирует эффект усиления.

Увеличение плотности дислокаций увеличивает предел текучести, что приводит к более высокому напряжению сдвига, необходимому для перемещения дислокаций. Этот процесс легко наблюдать при обработке материала (в процессе холодной обработки металлов). Теоретически прочность материала без дислокаций будет чрезвычайно высокой (

σ
≈

G
10

{\displaystyle \sigma \approx {\frac {G}{10}}}

), поскольку пластическая деформация потребовала бы разрыва многих связей одновременно. Однако при умеренных значениях плотности дислокаций около 107-109 дислокаций/м2 материал будет демонстрировать значительно более низкую механическую прочность. Аналогично, легче перемещать резиновый коврик по поверхности, распространяя по нему небольшую рябь, чем волоча весь коврик. При плотности дислокаций 1014 дислокаций/м2 или выше прочность материала снова становится высокой. Кроме того, плотность дислокаций не может быть бесконечно высокой, поскольку в этом случае материал потеряет свою кристаллическую структуру.

Упрочнение и легирование твердых растворов

Для этого механизма усиления растворенные атомы одного элемента добавляются к другому, что приводит к появлению либо замещающих, либо межузельных точечных дефектов в кристалле (см. рисунок справа). Растворенные атомы вызывают искажения решетки, которые препятствуют движению дислокаций, увеличивая предел текучести материала. Растворенные атомы имеют вокруг себя поля напряжений, которые могут взаимодействовать с полями дислокаций. Присутствие растворенных атомов придает решетке сжимающие или растягивающие напряжения в зависимости от размера растворенного вещества, которые мешают близлежащим дислокациям, заставляя растворенные атомы действовать как потенциальные барьеры.

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

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

где ${\displaystyle c}$ — концентрация растворенного вещества, а ${\displaystyle \epsilon }$ — это деформация материала, вызванная растворенным веществом.

Увеличение концентрации атомов растворенного вещества увеличит предел текучести материала, но существует ограничение на количество добавляемого растворенного вещества, и следует посмотреть на фазовую диаграмму материала и сплава, чтобы убедиться, что не образуется вторая фаза.

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 растворенных атомов. Величина упрочнения выше для несимметричных полей напряжений, поскольку эти растворенные атомы могут взаимодействовать как с краевыми, так и с винтовыми дислокациями, тогда как симметричные поля напряжений, которые вызывают только изменение объема, но не изменение формы, могут взаимодействовать только с краевыми дислокациями.

Дисперсионное твердение

В большинстве бинарных систем сплавление выше концентрации, заданной фазовой диаграммой, приведет к образованию второй фазы. Вторая фаза также может быть создана путем механической или термической обработки. Частицы, из которых состоят осадки 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 преципитата малы, дислокации будут прорезать их. В результате новые поверхности (b на рисунке 2) частицы будут подвергаться воздействию матрицы, и энергия на границе раздела частица-матрица увеличится. Для более крупных частиц преципитата будет происходить петлеобразование или изгибание дислокаций, что приведет к увеличению длины дислокаций. Следовательно, при критическом радиусе около 5 нм дислокации будут предпочтительно пересекать препятствие, в то время как при радиусе 30 нм дислокации будут легко изгибаться или образовывать петли, чтобы преодолеть препятствие.

Математические описания следующие:

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

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

Дисперсионное укрепление

Дисперсионное упрочнение — это тип упрочнения частиц, при котором некогерентные осадки притягивают и закрепляют дислокации. Эти частицы обычно крупнее, чем те, что при дисперсионном упрочнении Оровона, обсуждавшемся выше. Эффект дисперсионного упрочнения эффективен при высоких температурах, тогда как дисперсионное упрочнение от термической обработки обычно ограничивается температурами, значительно более низкими, чем температура плавления материала. Одним из распространенных типов дисперсионного упрочнения является оксидное дисперсионное упрочнение.

Укрепление границ зерен

В поликристаллическом металле размер зерна оказывает огромное влияние на механические свойства. Поскольку зерна обычно имеют различную кристаллографическую ориентацию, возникают границы зерен. При деформации будет иметь место скольжение. Границы зерен выступают в качестве препятствия для движения дислокаций по следующим двум причинам:

1. Дислокация должна изменить направление своего движения из-за различной ориентации зерен.
2. Разрыв плоскостей скольжения от зерна один к зерну два.

Напряжение, необходимое для перемещения дислокации из одного зерна в другое с целью пластической деформации материала, зависит от размера зерна. Среднее число дислокаций на зерно уменьшается с уменьшением среднего размера зерна (см. рисунок 3). Меньшее число дислокаций на зерно приводит к меньшему дислокационному «давлению», создаваемому на границах зерен. Это затрудняет перемещение дислокаций в соседние зерна. Это соотношение называется соотношением Холла-Петча и может быть математически описано следующим образом:

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

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

Тот факт, что предел текучести увеличивается с уменьшением размера зерна, сопровождается оговоркой, что размер зерна не может быть уменьшен бесконечно. По мере уменьшения размера зерна образуется больше свободного объема, что приводит к несоответствию решетки. Ниже примерно 10 нм границы зерен будут стремиться скользить; явление, известное как зернограничное скольжение. Если размер зерна становится слишком маленьким, становится сложнее разместить 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.
1- стали, упрочненные твердым раствором (сталь rephos)
2- стали с мелким зерном или высокопрочные низколегированные стали (HSLA)
3- стали, упрочненные трансформацией

Трансформационно-упрочненные стали являются третьим типом высокопрочных сталей. Эти стали используют преимущественно более высокие уровни C и Mn вместе с термической обработкой для повышения прочности. Готовый продукт будет иметь дуплексную микроструктуру феррита с различными уровнями вырожденного мартенсита. Это позволяет получать различные уровни прочности. Существует три основных типа трансформационно-упрочненных сталей. Это двухфазные (DP), пластичные, вызванные трансформацией (TRIP), и мартенситные стали.

Процесс отжига для двухфазных сталей состоит в том, что сначала сталь выдерживают в температурном диапазоне альфа + гамма в течение определенного периода времени. В течение этого времени C и Mn диффундируют в аустенит, оставляя феррит большей чистоты. Затем сталь закаливают, так что аустенит преобразуется в мартенсит, а феррит остается при охлаждении. Затем сталь подвергают циклу отпуска, чтобы обеспечить некоторый уровень распада мартенсита. Контролируя количество мартенсита в стали, а также степень отпуска, можно контролировать уровень прочности. В зависимости от обработки и химии уровень прочности может варьироваться от 350 до 960 МПа.

TRIP-стали также используют C и Mn, наряду с термической обработкой, чтобы сохранить небольшое количество аустенита и бейнита в ферритной матрице. Термическая обработка для TRIP-сталей снова включает отжиг стали в области a + g в течение периода времени, достаточного для того, чтобы C и Mn диффундировали
в аустенит. Затем сталь закаливают до точки выше начальной температуры мартенсита и выдерживают там. Это позволяет сформировать бейнит, продукт распада аустенита. В то время как при этой температуре больше C может обогащать остаточный аустенит. Это, в свою очередь, снижает начальную температуру мартенсита до температуры ниже комнатной. После окончательной закалки метастабильный аустенит сохраняется в преимущественно ферритной матрице вместе с небольшим количеством бейнита (и других форм распавшегося аустенита). Такое сочетание микроструктур имеет дополнительные
преимущества более высокой прочности и устойчивости к образованию шейки во время формовки. Это обеспечивает большие улучшения в формуемости по сравнению с другими высокопрочными сталями. По сути, по мере того, как TRIP-сталь формируется, она становится намного прочнее. Прочность на растяжение TRIP-сталей находится в диапазоне 600-960 МПа.

Мартенситные стали также содержат много C и Mn. Они полностью закаливаются до мартенсита во время обработки. Затем мартенситная структура снова закаливается до соответствующего уровня прочности, что добавляет стали жесткости. Прочность на растяжение для этих сталей достигает 1500 МПа.

Механизмы упрочнения аморфных материалов

Полимер

Полимеры разрушаются посредством разрыва меж- и внутримолекулярных связей; следовательно, химическая структура этих материалов играет огромную роль в повышении прочности. Для полимеров, состоящих из цепей, которые легко скользят друг мимо друга, химическое и физическое сшивание может использоваться для повышения жесткости и предела текучести. В термореактивных полимерах (термореактивный пластик) дисульфидные мостики и другие ковалентные сшивки приводят к образованию жесткой структуры, которая может выдерживать очень высокие температуры. Эти сшивки особенно полезны для повышения прочности на разрыв материалов, которые содержат много свободного объема, склонного к образованию трещин, обычно стекловидных хрупких полимеров. В термопластичном эластомере фазовое разделение разнородных мономерных компонентов приводит к объединению твердых доменов в море мягкой фазы, что дает физическую структуру с повышенной прочностью и жесткостью. Если текучесть происходит за счет скольжения цепей друг мимо друга (полосы сдвига), прочность также может быть увеличена путем введения перегибов в полимерные цепи через ненасыщенные углерод-углеродные связи.

Добавление наполнителей, таких как волокна, пластинки и частицы, является широко используемым методом укрепления полимерных материалов. Наполнители, такие как глина, кремний и материалы углеродной сетки, были широко исследованы и использованы в полимерных композитах отчасти из-за их влияния на механические свойства. Эффекты жесткости-ограничения вблизи жестких интерфейсов, таких как между полимерной матрицей и более жесткими материалами-наполнителями, повышают жесткость композитов, ограничивая движение полимерной цепи. Это особенно заметно, когда наполнители химически обработаны для сильного взаимодействия с полимерными цепями, увеличивая прикрепление полимерных цепей к интерфейсам наполнителя и, таким образом, дополнительно ограничивая движение цепей от интерфейса. Эффекты жесткости-ограничения были охарактеризованы в модельных нанокомпозитах и ​​показывают, что композиты с масштабами длины порядка нанометров резко увеличивают влияние наполнителей на жесткость полимера.

Увеличение объемности мономерного звена путем включения арильных колец является еще одним механизмом усиления. Анизотропия молекулярной структуры означает, что эти механизмы в значительной степени зависят от направления приложенного напряжения. В то время как арильные кольца резко увеличивают жесткость вдоль направления цепи, эти материалы все еще могут быть хрупкими в перпендикулярных направлениях. Макроскопическая структура может быть скорректирована для компенсации этой анизотропии. Например, высокая прочность кевлара возникает из-за многослойной макроструктуры, где слои ароматического полимера повернуты относительно своих соседей. При нагрузке под углом к ​​направлению цепи пластичные полимеры с гибкими связями, такие как ориентированный полиэтилен, очень склонны к образованию полос сдвига, поэтому макроскопические структуры, которые размещают нагрузку параллельно направлению вытяжки, увеличат прочность.

Смешивание полимеров является еще одним методом повышения прочности, особенно с материалами, которые показывают растрескивание, предшествующее хрупкому разрушению, такими как атактический полистирол (APS). Например, путем формирования смеси 50/50 APS с полифениленоксидом (PPO), эта тенденция к охрупчиванию может быть почти полностью подавлена, существенно увеличивая прочность на разрыв.

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, макромасштабную однородность) на в противном случае несмешивающиеся смеси, что позволяет смешивать механические свойства. Например, силикон-полиуретановые IPN показывают повышенную прочность на разрыв и изгиб по сравнению с базовыми силиконовыми сетями, сохраняя при этом высокое упругое восстановление силиконовой сети при высоких деформациях. Повышенная жесткость также может быть достигнута путем предварительного натяжения полимерных сетей и последующего последовательного формирования вторичной сети внутри деформированного материала. Это использует преимущество анизотропного деформационного упрочнения исходной сети (выравнивание цепей из-за растяжения полимерных цепей) и обеспечивает механизм, посредством которого две сети передают напряжение друг другу из-за наложенного напряжения на предварительно деформированную сеть.

Стекло

Многие силикатные стекла прочны при сжатии, но слабы при растяжении. Вводя в структуру напряжение сжатия, можно увеличить прочность материала на растяжение. Обычно это делается двумя способами: термической обработкой (закалкой) или химической ванной (с помощью ионного обмена).

В закаленном стекле воздушные струи используются для быстрого охлаждения верхней и нижней поверхностей размягченной (горячей) плиты стекла. Поскольку поверхность остывает быстрее, на поверхности имеется больше свободного объема, чем в объеме расплава. Затем ядро ​​плиты тянет поверхность внутрь, что приводит к возникновению внутреннего сжимающего напряжения на поверхности. Это существенно увеличивает прочность материала на растяжение, поскольку растягивающие напряжения, действующие на стекло, теперь должны разрешить сжимающие напряжения, прежде чем оно станет пластичным.

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

В качестве альтернативы, при химической обработке стеклянная пластина, обработанная сеткообразователями и модификаторами, погружается в ванну с расплавленной солью, содержащую ионы большего размера, чем те, которые присутствуют в модификаторе. Из-за градиента концентрации ионов должен происходить массоперенос. Поскольку более крупный катион диффундирует из расплавленной соли на поверхность, он заменяет более мелкий ион из модификатора. Более крупный ион, выдавливаемый на поверхность, вносит сжимающее напряжение в поверхность стекла. Распространенным примером является обработка силикатного стекла, модифицированного оксидом натрия, в расплавленном хлориде калия.
Примерами химически упрочненного стекла являются Gorilla Glass, разработанное и производимое Corning, Dragontrail компании AGC Inc. и Xensation компании Schott AG.

Композитное усиление

Многие из основных механизмов усиления можно классифицировать на основе их размерности. В 0-D есть упрочнение преципитацией и твердым раствором с упрочняющей структурой частиц, в 1-D есть упрочнение работой/лесом с линейными дислокациями в качестве механизма упрочнения, а в 2-D есть упрочнение границ зерен с поверхностной энергией зеренных интерфейсов, обеспечивающее повышение прочности. Два основных типа композитного усиления, армирование волокнами и ламинарное армирование, попадают в классы 1-D и 2-D соответственно. Анизотропия прочности волокон и ламинарного композита отражает эти размерности. Основная идея композитного усиления заключается в объединении материалов с противоположными сильными и слабыми сторонами для создания материала, который передает нагрузку на более жесткий материал, но выигрывает от пластичности и вязкости более мягкого материала.

Армирование волокнами

Армированные волокнами композиты (FRC) состоят из матрицы одного материала, содержащей параллельно встроенные волокна. Существует два варианта армированных волокнами композитов: один с жесткими волокнами и пластичной матрицей, а другой с пластичными волокнами и жесткой матрицей. Первый вариант представлен стекловолокном, которое содержит очень прочные, но нежные стеклянные волокна, встроенные в более мягкую пластиковую матрицу, устойчивую к разрушению. Последний вариант встречается почти во всех зданиях в виде армированного бетона с пластичными, высокопрочными стальными стержнями, встроенными в хрупкий, высокопрочный на сжатие бетон. В обоих случаях матрица и волокна имеют взаимодополняющие механические свойства, и поэтому полученный 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 дают грубую модель.

Четыре стадии деформации

Состояние армированного волокнами композита при приложенном растягивающем напряжении вдоль направления волокон можно разложить на четыре стадии от малой деформации до большой деформации. Поскольку напряжение параллельно волокнам, деформация описывается условием изодеформации, т. е. волокно и матрица испытывают одинаковую деформацию. На каждом этапе композитное напряжение (${\displaystyle \sigma _{c}}$) задается в терминах объемных долей 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, считанное с кривой напряжение-деформация (${\displaystyle \sigma _{f}(\epsilon _{c}),\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$).

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

${\displaystyle E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m}}$

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

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\epsilon _{c})+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

${\displaystyle \sigma _{c}\approx V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

Предел прочности

Из-за неоднородной природы FRC они также характеризуются несколькими значениями предела прочности на разрыв (TS), по одному для каждого компонента. Учитывая предположения, изложенные выше, первое значение предела прочности на разрыв будет соответствовать разрушению волокон с некоторой поддержкой прочности матрицы на пластическую деформацию, а второе — разрушению матрицы.

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

${\displaystyle TS_{2}=V_{m}TS_{m}}$

Анизотропия (эффекты ориентации)

Вследствие указанной выше размерности (1-D) армирования волокнами наблюдается значительная анизотропия их механических свойств. Следующие уравнения моделируют прочность на растяжение FRC как функцию угла смещения (${\displaystyle \theta }$) между волокнами и приложенная сила, напряжения в параллельном и перпендикулярном направлении или ${\displaystyle \theta =0}$ и ${\displaystyle 90}$o, случаи (${\displaystyle \ \sigma _{||},\sigma _{\perp }}$) и прочность матрицы на сдвиг (${\displaystyle \tau _{my}}$).

Small Misalignment Angle (longitudinal fracture)

Small Misalignment Angle (longitudinal fracture)

Significant Misalignment Angle (shear failure)

Significant Misalignment Angle (shear failure)

Near Perpendicular Misalignment Angle (transverse fracture)

Near Perpendicular Misalignment Angle (transverse fracture)

Ламинарное армирование

Приложения

Укрепление материалов полезно во многих областях. Основное применение укрепленных материалов — строительство. Чтобы иметь более прочные здания и мосты, необходимо иметь прочный каркас, который может выдерживать высокие нагрузки на растяжение или сжатие и противостоять пластической деформации. Стальной каркас, используемый для строительства 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 скапливается снег.

В настоящее время также проводятся исследования по повышению прочности металлических материалов путем добавления полимерных материалов, таких как связанный полимер, армированный углеродным волокном (CFRP).

Текущее исследование

Исследования с использованием моделирования молекулярной динамики

Метод молекулярной динамики (МД) широко применяется в материаловедении, поскольку он может предоставить информацию о структуре, свойствах и динамике в атомном масштабе, которую нельзя легко разрешить с помощью экспериментов. Фундаментальный механизм моделирования МД основан на классической механике, из которой мы знаем, что сила, действующая на частицу, вызвана отрицательным градиентом потенциальной энергии относительно положения частицы. Поэтому стандартная процедура проведения моделирования МД заключается в разделении времени на дискретные временные шаги и многократном решении уравнений движения на этих интервалах для обновления положений и энергий частиц. Прямое наблюдение за атомными расположениями и энергетикой частиц в атомном масштабе делает его мощным инструментом для изучения микроструктурной эволюции и механизмов упрочнения.

Укрепление границ зерен

Были проведены обширные исследования различных механизмов укрепления с использованием моделирования МД. Эти исследования раскрывают микроструктурную эволюцию, которую нельзя легко наблюдать из эксперимента или предсказать с помощью упрощенной модели. Хан и др. исследовали механизм укрепления границ зерен и влияние размера зерна в нанокристаллическом графене с помощью серии моделирования МД. Предыдущие исследования наблюдали непоследовательную зависимость прочности графена от размера зерна в масштабе длины нм, и выводы остались неясными. Поэтому Хан и др. использовали моделирование МД для непосредственного наблюдения за структурной эволюцией графена с наноразмерными зернами. Образцы нанокристаллического графена были получены со случайными формами и распределением для моделирования хорошо отожженных поликристаллических образцов. Затем образцы были нагружены одноосным растягивающим напряжением, и моделирование проводилось при комнатной температуре. Уменьшая размер зерна графена, Хан и др. наблюдали переход от обратного псевдо-поведения Холла-Петча к псевдо-поведению Холла-Петча, а критический размер зерна составляет 3,1 нм. На основе расположения и энергетики моделируемых частиц обратное псевдо-поведение Холла-Петча можно объяснить созданием участков концентрации напряжений из-за увеличения плотности стыков границ зерен. Затем трещины преимущественно зарождаются на этих участках, и прочность снижается. Однако, когда размер зерна ниже критического значения, концентрация напряжений на стыках границ зерен уменьшается из-за отмены напряжений между 5 и 7 дефектами. Эта отмена помогает графену выдерживать растягивающую нагрузку и демонстрировать псевдо-поведение Холла-Петча. Это исследование объясняет предыдущие противоречивые экспериментальные наблюдения и обеспечивает глубокое понимание механизма укрепления границ зерен нанокристаллического графена, которое не может быть легко получено ни из экспериментов in-situ, ни из экспериментов ex-situ.

Стремительное укрепление

Также были проведены исследования механизмов упрочнения преципитатов в МД. Шим и др. применили моделирование МД для изучения эффектов упрочнения преципитатов наноразмерной объемно-центрированной кубической (ОЦК) меди на гранецентрированной кубической (ГЦК) меди. Как обсуждалось в предыдущем разделе, эффекты упрочнения преципитатов вызваны взаимодействием между дислокациями и преципитатами. Поэтому характеристики дислокации играют важную роль в эффектах упрочнения. Известно, что винтовая дислокация в ОЦК металлах имеет очень сложные особенности, включая неплоское ядро ​​и асимметрию двойникования-антидвойникования. Это усложняет анализ и моделирование механизма упрочнения, и его нельзя легко обнаружить с помощью электронной микроскопии высокого разрешения. Таким образом, Шим и др. моделировали когерентные преципитаты ОЦК Cu с диаметрами от 1 до 4 нм, внедренные в матрицу ГЦК Fe. Затем вводится винтовая дислокация и заставляет ее скользить по плоскости {112} под действием увеличивающегося напряжения сдвига, пока она не оторвется от преципитатов. Сдвиговое напряжение, вызывающее отрыв, рассматривается как критическое разрешенное сдвиговое напряжение (CRSS). Шим и др. наблюдали, что скорость винтовой дислокации в направлении двойникования в 2-4 раза больше, чем в направлении антидвойникования. Сниженная скорость в направлении антидвойникования в основном вызвана переходом в скольжении винтовой дислокации от механизма перегиба к механизму перекрестного перегиба. Напротив, винтовая дислокация преодолевает выделения размером 1–3,5 нм путем сдвига в направлении двойникования. Кроме того, также наблюдалось, что механизм отрыва винтовой дислокации с более крупными, преобразованными выделениями включает аннигиляцию-и-ренуклеацию и петлеобразование Орована в направлении двойникования и антидвойникования соответственно. Чтобы полностью охарактеризовать задействованные механизмы, требуется интенсивный анализ с помощью просвечивающей электронной микроскопии, и обычно трудно дать всестороннюю характеристику.

Упрочнение и легирование твердых растворов

Аналогичное исследование было проведено Чжаном и др. по изучению упрочнения твердого раствора Co, Ru и Re различных концентраций в ГЦК Ni. Краевая дислокация была расположена в центре Ni, а ее система скольжения была установлена ​​как <110> {111}. Затем к верхней и нижней поверхностям Ni было приложено касательное напряжение с растворенным атомом (Co, Ru или Re), внедренным в центр при 300 К. Предыдущие исследования показали, что общий вид эффектов размера и модуля не может полностью объяснить упрочнение твердого раствора, вызванное Re в этой системе из-за их малых значений. Чжан и др. сделали еще один шаг, чтобы объединить первопринципные расчеты DFT с MD для изучения влияния энергии дефекта упаковки (SFE) на упрочнение, поскольку в этой структуре материала могут легко образовываться частичные дислокации. Результаты моделирования MD показывают, что атомы Re сильно тянутся к движению краевой дислокации, а расчет DFT показывает резкое увеличение SFE, что обусловлено взаимодействием между атомами-хозяевами и атомами растворенного вещества, расположенными в плоскости скольжения. Кроме того, аналогичные связи были обнаружены в ГЦК Ni, внедренном в Ru и Co.

Ограничение исследований механизмов усиления методом МД

Эти исследования показывают прекрасные примеры того, как метод МД может помочь в изучении механизмов укрепления и обеспечивает больше информации на атомном уровне. Однако важно отметить ограничения метода.

Для получения точных результатов моделирования МД необходимо построить модель, которая правильно описывает межатомный потенциал на основе связей. Межатомные потенциалы являются приближениями, а не точными описаниями взаимодействий. Точность описания значительно варьируется в зависимости от системы и сложности формы потенциала. Например, если связь динамическая, что означает, что связь меняется в зависимости от положения атомов, требуется специальный межатомный потенциал, чтобы моделирование МД давало точные результаты. Поэтому межатомные потенциалы необходимо подгонять на основе связей. В материаловедении обычно используются следующие модели межатомного потенциала: потенциал Борна-Майера, потенциал Морзе, потенциал Леннарда-Джонса и потенциал Ми. Хотя они дают очень похожие результаты для изменения потенциальной энергии относительно положения частицы, в их отталкивающих хвостах есть существенная разница. Эти характеристики позволяют им лучше описывать системы материалов с определенными химическими связями соответственно.

В дополнение к присущим ошибкам в межатомных потенциалах, количество атомов и временных шагов в МД ограничено вычислительной мощностью. В настоящее время общепринято моделировать систему МД с несколькими миллионами атомов, и она даже может достигать моделирования с несколькими миллионами атомов. Однако это все еще ограничивает масштаб длины моделирования примерно до микрона. Временные шаги в МД также очень малы, и длительное моделирование даст результаты только в масштабе времени в несколько наносекунд. Чтобы еще больше расширить масштаб времени моделирования, общепринято применять потенциал смещения, который изменяет высоту барьера, тем самым ускоряя динамику. Этот метод называется гипердинамикой. Правильное применение этого метода обычно может продлить время моделирования до микросекунд.

Изготовление наноструктур для упрочнения материалов

На основе механизма усиления, обсуждавшегося в предыдущем содержании, в настоящее время люди также работают над повышением прочности путем целенаправленного изготовления наноструктур в материалах. Здесь мы представляем несколько репрезентативных методов, включая иерархические наносплетенные структуры, расширяющие предел размера зерна для усиления и дислокационной инженерии.

Иерархические нанодвойниковые структуры

Как упоминалось в предыдущем материале, препятствие движению дислокаций приводит к значительному упрочнению материалов. Наноразмерные двойники – кристаллические области, связанные симметрией, обладают способностью эффективно блокировать движение дислокаций за счет изменения микроструктуры на границе раздела. Формирование иерархических структур нанодвойников доводит эффект помех до крайности из-за построения сложной трехмерной сети нанодвойников. Таким образом, тонкое проектирование иерархических нанодвойниковых структур имеет большое значение для создания сверхпрочных материалов. Например, Юэ и др. сконструировали алмазный композит с иерархической нанодвойниковой структурой, манипулируя давлением синтеза. Полученный композит показал более высокую прочность, чем типичные конструкционные металлы и керамика.

Расширение границ размера зерна для укрепления

Эффект Холла-Петча показывает, что предел текучести материалов увеличивается с уменьшением размера зерна. Однако многие исследователи обнаружили, что нанокристаллические материалы будут размягчаться, когда размер зерна уменьшится до критической точки, что называется обратным эффектом Холла-Петча. Интерпретация этого явления заключается в том, что чрезвычайно мелкие зерна не способны поддерживать скопление дислокаций, которое обеспечивает дополнительную концентрацию напряжений в крупных зернах. В этот момент механизм упрочнения меняется с упрочнения деформацией, доминируемой дислокациями, на размягчение роста и вращение зерна. Обычно обратный эффект Холла-Петча происходит при размере зерна от 10 нм до 30 нм и затрудняет достижение высокой прочности нанокристаллическими материалами. Чтобы расширить предел размера зерна для упрочнения, препятствие вращению и росту зерна может быть достигнуто путем стабилизации границ зерен.
Создание наноламинированной структуры с малоугловыми границами зерен является одним из методов получения сверхмелкозернистых материалов со сверхпрочностью. Лу и др. применили очень высокую скорость деформации сдвига с высокими градиентами деформации на верхнем поверхностном слое образца объемного Ni и ввели наноламинированные структуры. Этот материал демонстрирует сверхвысокую твердость, выше, чем любой известный сверхмелкозернистый никель. Исключительная прочность является результатом появления малоугловых границ зерен, которые имеют низкоэнергетические состояния, эффективные для повышения стабильности структуры.
Другим методом стабилизации границ зерен является добавление неметаллических примесей. Неметаллические примеси часто агрегируют на границах зерен и обладают способностью влиять на прочность материалов, изменяя энергию границы зерен. Руперт и др. провели первопринципное моделирование для изучения влияния добавления обычных неметаллических примесей на энергию границы зерен Σ5 (310) в Cu. Они утверждали, что уменьшение ковалентного радиуса примеси и увеличение электроотрицательности примеси приведет к увеличению энергии границы зерен и дополнительному укреплению материалов. Например, бор стабилизировал границы зерен, увеличивая плотность заряда между соседними атомами Cu, чтобы улучшить связь между двумя границами зерен.

Дислокационная инженерия

Предыдущие исследования влияния движения дислокаций на упрочнение материалов в основном были сосредоточены на дислокациях высокой плотности, которые эффективны для повышения прочности за счет снижения пластичности. Разработка структур и распределения дислокаций обещает всесторонне улучшить характеристики материала.
Растворы имеют тенденцию агрегироваться на дислокациях и являются перспективными для инженерии дислокаций. Кимура и др. провели атомно-зондовую томографию и наблюдали агрегацию атомов ниобия на дислокациях. Энергия сегрегации была рассчитана как почти такая же, как энергия сегрегации границ зерен. То есть взаимодействие между атомами ниобия и дислокациями препятствовало восстановлению дислокаций и, таким образом, упрочняло материалы.
Введение дислокаций с неоднородными характеристиками также можно использовать для упрочнения материала. Лу и др. ввели упорядоченные кислородные комплексы в сплав TiZrHfNb. В отличие от традиционного межузельного упрочнения, введение упорядоченных кислородных комплексов повысило прочность сплава без ущерба пластичности. Механизм заключался в том, что упорядоченные кислородные комплексы изменяли режим движения дислокаций с плоскостного скольжения на волнообразное скольжение и способствовали двойному поперечному скольжению.