חומרים מבנים, מאופיין על ידי תכונות מיקרו-מבנה קטנות מ -100 ננומטרים, להציג תכונות מכניות כי לעתים קרובות על אלה של חומרים coarse-gomed. שלהם כוח גבוה, ללבוש התנגדות, ומנגנוני עיוות ייחודי להפוך אותם אטרקטיביים עבור יישומים ב aerospace, מכשירים ביו-רפואיים, ו הדור הבא של חומרים משוריינים השפעה.עם זאת, התנהגותם תחת עומסי-צורה נפוצה של כשל בשירות - שרדות חיוני של מחקרים קריטיים קריטיים של שיטות מחקר קריטיים קריטיים של מנגנונים קריטיים אלה הוא מרכזי של מנגנונים קריטיים של מנגנונים קריטיים של מנגנונים קריטיים של מנגנונים קריטיים של מנגנונים מכניקה.

מבוא לחומרים nanostructured

חומרים ננודור כוללים מעמד רחב של חומרים עם ממדים מיקרו-תרבותיים עמוק בתוך משטר ננומטרי. הסוג הנפוץ ביותר הוא ננוקריסטלליין מתכות, שבו גרגרי בודדים הם בדרך כלל פחות מ -100 nm בקוטר.צורות אחרות כוללות ננוקום, אשר משלב ננוקריסטלים עם שלב משני, וחומרים ננו- ⁇ , המכילים רשת של חלקיקים אלה מיוצרים לעתים קרובות באמצעות שיטות אלקטרופורמיות דומות כמו הדבקה או מגנטית, כמו קדמית, כמו הדבקה גבוהה.

התגובה המכנית של חומרים ננו-מבנים נשלטת על ידי חלקיק נפח גבוה של גבולות דגנים.במאז המאזניים האלה, מערכת היחסים של הול-פטרצ'ך הקלאסית – החיזוי כוח גובר עם גודל דגנים מופחת – יורד לגודל גרגר קריטי, לעתים קרובות סביב 10-20 nm. מתחת לסף זה, אפקט ה-Hatle-Petch הפוכה יכול להתרחש, שבו נפיחות גבול דגנים ורכך החומר הזה הוא מעבר חיוני לשרירים, כמו מנגנונים מחוסנים, כמו מנגנונים מורכבים יותר, כמו מנגנונים מחוספסים מגנטיים, כמו מנגנונים מורכבים, כמו דגנים, כמו דגנים, כמו דגנים, כמו אורגניזמים מחוספסים, כמו מנגנונים מחוסנים מחוספסים, כמו דגנים, כמו דגנים מורכבים, כמו דגנים מורכבים יותר, כמו דגנים מחוסנים מחוסנים מגנטיים, כמו אורגניזמים מחוספסים, כמו אורגניזמים מחוספסים, כמו אורגניזמים מחוספסים, כמו מנגנונים מחוספסים, כמו אורגניזמים מחוספסים, כמו אורגניזמים מחוסנים מחוספסים, כמו מנגנונים מחוספסים, כמו מנגנונים מחוספסת גבול דגנים מחוס

הרלוונטיות הטכנולוגית של חומרים ננו-מבנים אינה ניתנת להגדרה יתר על המידה.הם נחקרים עבור רכיבים מבניים קלים בתעשיות הרכב ואווירה, שבו יחסים בעלי עוצמה גבוהה למשקל להפחית את צריכת הדלק.בהשתלות ביו-רפואיות, ננוגניום טיטניום וסגסוגת טיטניום מציעים שיפור אוסטינוסציה, אך הרגישות לשחית או לשבר עמוק מתחת לשבר, היא עדיין השפעה עמוקה.

חומרים מכוונים ב-Nanostructured

מכניקת שבר קלאסית מתארת כשלון חומרי באמצעות ההתפשטות של סדק טרום-existing תחת לחץ יישומי.עבור חומרים אלסטיים ליניאריים, הגורם האינטנסיבי של הלחץ:0KirFLT:1 וכוח נהיגה סדקים:2GigtureFLT 3: להגדיר את הקריטריון השביר.בחומרים המוצבים, עם זאת, הנחות של מכניקתיום נשברות ליד סדק עקב מספר הנפץ של מנגנוני הנפץ ופירוק של הנפץ ניידים.

המונחים:

התכתק בחומרים ננו-מבנים מתרחשת לעתים קרובות בנקודות חלשות מיקרו-אורטוריות, בעיקר גבולות דגנים וצומת משולשים. אתרים אלה פועלים כנציחים מתח עקב אנזוטרופיה אלסטית ואל העיוות בתכונות מכניות בין דגנים סמוכים.בניגוד לחומרים מהונדסים, כאשר סדקים בדרך כלל מחלחלים יותר מהכללות או להקות מתוחכמות, חומרים מצטברים באמצעות דגנים חזקים יותר, אשר נוטים לפירוק גבוה יותר, כי הם עלולים לפירוק של גבולות נמוכים יותר, כי הם בדרך כלל, כי הם מציעים בסופו של סימולציה נמוכה יותר, כי הם בדרך כלל, כי הם מציעים יותר, כי הם עלולים, כי הם מציעים יותר, כי הם מציעים יותר מפולסים, כי הם עלולים יותר, כי הם עלולים יותר, כי הם מופיעים תחת גבולות פחמן-מפולסים, כי הם בדרך כלל, כי הם מציעים יותר, כי הם מציעים יותר, כי הם בדרך כלל, כי הם מציעים יותר, סימולציות פחמן נמוך יותר, כי הם מציעים יותר, כי הם בדרך כלל מפולסים, כי הם בדרך כלל מפולסים, כי הם מציעים יותר, כי הם מציעים יותר, כי הם מציעים יותר, 000 סימולציות גבול נמוך יותר, כי הם בדרך כלל מ

מקור נוסף של סדקים הוא אינטראקציה של פירוק גבולות עם דגנים.בחומרים nanostructured, dislocations הם פולטים גבולות דגנים תחת מתח, אבל הדרך החינמית שלהם היא קצרה מאוד. אלה dislocations ערמות בגבולות מנוגדים, יצירת שדות מתח מקומיים שיכולים לגרום סדקים גבול דגנים כאשר הלחץ עולה על הכוח הרציני.

סיקור

לאחר שסדקים יזמו, ההתפשטות שלה מושפעת באופן משמעותי מהאדריכלות הננומטרית.בחומרים המוטבעים, סדקים לעתים קרובות propagate transgranular באמצעות מטוסים מתפתלים, וכתוצאה מכך אנרגיה נמוכה של חלקיקים ננודור, עם זאת, להציג בעיקר שבר intergranular, עם הנתיב שלאחר גבולות דגנים זה יוצר מסלול סדק מרתיע כי הדרך הכוללת של שטח נשבר ושבר אנרגיה, וכתוצאה מכך, כמו מנגנונים מתוחים, כמו גם מנגנונים מטבוליים של מנגנונים מתוחים, כמו מנגנוני ריכוזיים, אשר נספגים, כמו גם סגסוגת גבוהה.

יתר על כן, המספר המוגבל של מקורות פירוק בתוך כל גרגר פירושו כי עיוות פלסטיק באזור קצה השבר הוא לעתים קרובות מאוכלס על ידי סיבוב דגנים וגירסת גבול דגנים. תהליכים אלה יכולים להוביל לפצח את המקום שבו גרגרי או ligaments שלמים לאורך הסדקים, העברה עומס וצמצום כוח הסדקים שלהם. in situ אלקטרונים (TEM) מחקרים על ננוקריסטליקורים ונומטר אלומיניום זה יש לצפות ישירות חומרים סטריליים קשים אלה.

התפקיד של השתקפות סדקים חשוב באותה מידה.כאשר סדק נתקל גבול גרגר, זה עשוי להשתנות כיוון, במיוחד אם הגבול הוא לא מעוות יחסית ציר הפורש. חזר על דה השתקפות יוצר נתיב סדק zigzag אשר מגביר את אנרגיית השברים האפקטיבית.מודלים הארוכים מציעים כי השבר בקנה מידה עם השורש ההפוך של גודל גרגר במשטר הול-פטר, אבל סטייתנים מתרחשים מאוד על ידי גרגרים מורכבים של פעילות גופנית.

גורמים המשפיעים על התנהגות Fracture

התנהגות השבירה של חומרים ננו-מבנים אינה טבועה, אך רגישה למגוון של פרמטרים מיקרו-אורטוריים וחיצוניים.כאן אנו בודקים את הגורמים המרכזיים שהמהנדסים חייבים לשקול בעת תכנון התנגדות השבירה.

גודל Grain Size

גודל גרנין נשאר הפרמטר המשפיע ביותר.כפי שגודל הדגנים יורד מהמיקרומטר למשטר ננומטר, כוח גדל באופן דרמטי.עם זאת, קשיחות שבר לעתים קרובות עוקב אחר מגמה לא מונוטונית.עבור גדלים מעל 50 ננומטר, קשיחות משתפרת עם גודל דגנים מופחת עקב שטח גבול דגנים מוגבר כי פיזור של דגנים מתחת 10-20 nm, הverse in Hall-פיטר אפקט יכול בדרך כלל לקדם כוח רצון חזק בין ירידה של 50 קטינה.

גרלין Boundary Character

האופי של גבולות דגנים - בין אם נמוך, סבוך גבוה, או גבולות מיוחדים (למשל, גבולות ⁇ ) - משחק תפקיד קריטי.גבולות סבך גבוה בדרך כלל מציעים התנגדות טובה יותר לשבר בין-גרידי כי הם מפגינים אנרגיה קוהרסיבי גבוה יותר יכול להכיל עיוות פלסטיק גבוה יותר באמצעות פיזור עמוק של סגסוגת דגנים.

תמימות ושלבים שני

Porosity הוא פגם נפוץ בחומרים nanostructured מוכן על ידי פיזור אבקה. וידים לפעול כמו רכזי מתח ויכול לשמש אתרי מועדף עבור nucleation. minimizing porosity באמצעות טכניקות מתפתל מתקדמות כמו שבץ פלזמה נוצץ הוא חיוני עבור מקסימום התנגדות שבר.שלבים, כגון ננומטרי או carbide, חלקיקים יכול לשפר או deccading הם גם כדי לספק חלקיקים פגומים של לחץ דם, אם הם יכולים להיות מכווץ היטב.

עומס וטמפרטורה

חומרים מבנים לעתים קרובות להפגין רגישות חריפה של קצב מתח גבוה, כגון אלה נתקלו השפעה או טעינה נפץ, חוסר זמן עבור הפלסטיות מכוונת פירוק יכול לשנות את מצב השברה מ ductile כדי ליישב. הקשיחות הדינמית של ננוקריסטלליין היא נושא של מחקר אינטנסיבי, עם כמה חומרים המציגים ירידה משמעותית בטמפרטורות גבוהות יותר עקב ירידה בלחץ דגנים, אשר עלולים להפחית את ההשפעות גבוהות יותר של אנרגיה מוגברת, עם ירידה משמעותית.

הערות ניסיוניות

אופי ניסיוני של שבר בחומרים ננו-מבנים דורש טכניקות עם פתרון מרחבי למטה בסולם ננומטר. ב-bu שידור אלקטרוני microscopyFLT:1 כבר חזק במיוחד, ומאפשר תצפית ישירה של nucleation סדקים ו propagation בעוד הדגימה היא תחת עומס מיקרו-ממדי על סרטי פלטינה ננוקלסטלי, למשל, גילה כי סדק דרך מטושטשת גבול גדול יותר, מאשר קרינת מיקרו-D (מסוג של חומר).

מדידות קשיחות של חלקיקים על חומרים nanostructured גדולים מבוצעות לעתים קרובות באמצעות מתח קומפקטי או שלושה נקודות דגימות bend דגימות, למרות בדיקות אלה הם מאתגרים בשל גודל הדגימה הקטן הנדרש כדי לשמור על nanostructure. עם זאת, בדיקות סטנדרטיות על אלקטרודפוס nanocrystalline הראה ערכי שבר 2- 3 פעמים גבוה יותר מאשר coar-gse-gomed ניקל, המיוחס שבץ נרחב שבץ גרגר כי הוא מוכן על ידי תפקוד נמוך ניגודיות.

תצפית בולטת אחת היא נוכחות של תכונות שברים של FLT:0 (FLT) 1:1 ב nanoscale. Dimple-like מבנים לעתים קרובות לראות על משטחים שבר של מתכות ננוקריסטלליין, אבל הגדלים הפעוטים לא מתאימים לגדלים אלא כדי לצבור כמה דגנים.זה מרמז כי שבר מתרחשת באמצעות גל של ננולים בצורת מעדיף באופן משמעותי על גבול גרגרים משולשים וספק תובנות אלה.

מחקרים עצמאיים ברמת שיעור באמצעות מערכות מיקרואלקטרוניקה (MEMS) בדיקות פלטפורמות הראו כי nanocrystalline אלומיניום מציג מעבר מ ductile כדי ליישב שבר כמו קצב המתח גדל מ 10-4 s-1 עד 102 s-1 עד 102 s-1.בשיעורים גבוהים, החומר נכשל על ידי סדקים מהירים לאורך גבולות דגנים ללא עיוות פלסטי משמעותי.

השלכות על עיצוב חומרי

הבנת התנהגות שבר ישירות מודיעה אסטרטגיות לעיצוב חומרים ננו-מבנים עם ביצועים אופטימליים.המטרה היא למקסם את קשיחות השבירה ללא הקרבת כוח, סחר קלאסי בהנדסת חומרים.

גישה מוצלחת אחת היא התפתחות של מבני גרגר דו-ממדיים או רב-ממדיים. על ידי הטמעת גרגרי מיקרון גדולים יותר (איים חשמליים) במריצה ננוקריסטלית, היתרונות החומריים מן הכוח הגבוה של השלב הננודור ואת הדלונות של גרגרי GPrase. דגנים גדולים יכולים מפלסטיק ו ⁇ , בעוד ננוקריטיס מספק כוח אחד בהצלחה סגסוגת artarium היה מעל סגסוגת.

אסטרטגיה נוספת היא לשלב שלבים משניים ב- ננומטרי.לדוגמה, הוספת כמה משקל של צינורות פחמן או גרפן למטריקס מתכת ננוקריסטלליין יכול להגדיל באופן דרמטי את הקשידות השבעה על ידי מתן מנגנוני קידוד ומשיכת מנגנוני. בדומה, ננו-חלקיקי חיזוקים nanocrystalline alumina הוכח כדי לשפר את הקשב באמצעות pinning ו- מנגנוני סדקים אלה חייב להימנע חיזוקים של התוויות.

הנדסה גבול גרנין, באמצעות הצגת גבולות תאום אנרגיה נמוכה או על ידי doping עם אלמנטים עקבות כי הסתחרפות לגבולות דגנים, יכול גם לשפר את ההתנגדות השבעה.לדוגמה, הפרדה בבור ב nanocrystalline ניקל-iron ⁇ s מחזקת את גבולות דגנים ומקדם שבר transgranular, אשר מגביר את הטיפולים הקשים.

לבסוף, מודלים חישוביים, כולל דינמיקות מולקולריות וסימולציות שדה שלב, הופך כלי יקר לחיזוי התנהגות שבר והנחיית מאמצים ניסיוניים.מודלים אלה יכולים לדמות תהליכי קצה סדקים בתנאים שונים, ומאפשרים לחוקרים למסך מיקרואורגניזמים פוטנציאליים לפני סינתזזה יקרה. לדוגמה, FLT:0atomistic סימולציות של סימולציה של 1LT:1 חיזוי כי מבנים ננו- ⁇ , שבו גודל גרגר יכול להיות מדכא דרך שטח באופן חלקה, על ידי פיזור פנימי, על ידי ייצוב, על ידי פיזור פנימי, יכול להיות שונה.

שקיפות ודרכים עתידיות

התנהגות השבעה של חומרים ננו-מבנים תחת עומס Tenile שונה באופן יסודי מזה של חומרים coarse-goku. צפיפות גבוהה של גבולות דגנים שולט הן סדקים, אשר בדרך כלל מתרחשת בצומת משולשים ממשקים חלשים, ו propagation, אשר ממשיך דרך נתיבים בין-גרפיים עם מנגנונים נרחבים של סדקים ו- redginging.

במבט קדימה, כמה אתגרים נשארים.אפקט הול-פטריש עדיין מגביל את גודל דגנים מינימלי עבור קשיחות אופטימלית, ושבר דינמי בשיעורי זנים גבוהים עדיין לא מאופיין לחלוטין.מחקר עתידי כנראה להתמקד על מבנים ננוארכיים המשלבים מספר רב של קשקשים, כגון ננוגרינים בתוך עמודות בגודל מיקרון, כדי לרתום מנגנוני עיוות שונים בו זמנית.