Katmanlı ve Fonksiyonel Olarak Sınıflanmış Malzemelerin

Katmanlı ve işlevsel olarak derecelen malzemeler (FGMs) temel olarak gelişmiş mühendislik malzemelerinin bir sınıfını, kompozisyon ve mikroyapının kontrollü uzaysal varyasyonu ile elde etmek için tasarlanmış bir sınıf temsil eder. homojen malzemelerden farklı olarak, bu heterojen sistemler arayüzler, özellik gradyan sistemler, ve karmaşık stres alanları, temel olarak çatlakları ve yayılımı değiştiren karmaşık stres alanları, biyomedikal implantlar, termal bariyer kaplamaları ve mikroelektronikler, aşırı koşullar altında bileşenler güvenilirliğin tanıtıldığı yer.

Bu makale, son deneysel ve modelleme çalışmaları için uygulanan bir kırık mekanik ilkelerine bir yazara dayalı bir bakış sunar. Ayrıca arayüzlerin rolünü inceler, mülk gradients, yükleme koşullarını ve mikroyapısal özellikleri inceler. Son deneysel ve modelleme çalışmaları hakkında çizim, pratik uygulamaları ve gelecekteki araştırma yollarını da vurgulıyoruz.

Katmanlı Malzemede Fracture Mechanics'in temelleri

Fracture mekanikleri stres altında çatlakların stabilitesini stresin altında analiz eder ([Dönetici:0)K) ve enerji salım oranı ()[D[DD][/FONT][/FONT)[D][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT)[D][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT][/FONT)))))))))))))))))

Interfacial Fracture Mechanics

Katmanlı malzemelerdeki çatlaklar bir katman içinde yayılabilir veya komşu katmanlara göz atabilir. arabirim genellikle en zayıf bağlantı, arayüz ile sert kırık tabakalar arasındaki elastik yanlış bağlantı:0)G). Mode mixity – o sert çatlaklarda normal strese sahip olma oranı – önemsiz olarak tabakalar arasındaki fark eder.

Çift-canlı kiriş (DCB) ve dört noktalı sönüllülü kompozitler üzerinde yapılan bükme testleri (örneğin, epoxy/cam, seramik/metal), interfacial kırık enerjilerin, arayüzdeki güçlü kovalan bağlar yaratarak artırılabileceğini gösteriyor.

Crack Deflection ve Bridging

Katmanlı malzemeler, sönüllü bir sertleştirme mekanizması olarak kullanmak için tasarlanmıştır. Bir çatlaklar zayıf bir arayüzle karşılaştırıldığında, o arayüz boyunca değiştirilebilir, ek enerji ve yıkıcı başarısızlığın üstesinden gelebilir. Bu prensipte nacre (başkan-pearl) tasarımı altında, ince organik tabakalar tarafından ayrılmış olan ince kırılmış tabletler, monolithic aragonitin 3000 kat daha fazla kırılmaya ulaşır.

Crack bridging, sağlam fiberler veya iyoniller tabakaları çatlakları yayarken, yüklemeyi ve çatlakları azaltmak için ortaya çıkıyor. Metal-ceramik tabakalı kompozitler, bir kanal metal tabaka (örneğin, nikel veya alüminyum) çatlakları kırarak çatlakları artırabilir - çatlakları çatlakları artırmak için direnç göstermek.Bu mekanizma, bridging stres dağılımı ile ölçülür ve termal kaplamalar gibi uygulamalar için önemlidir.

Fonksiyonel olarak Sınıflanmış Malzemelerin Fracture Davranışı

Fonksiyonel olarak sınıflanmış malzemeler (FGMs) sürekli bir kompozisyon ve özellikler ile bir veya daha fazla boyut boyunca karakterize edilir.FGMs, beton konsantrasyonlarını azaltır ve delaminasyonunu azaltır.[Dönetici, 0,00T:2).[TFLT)[TFLD)[TFL/Dönetici)

Stres Dağıtımı ve Crack Tip Fields

FGM'lerde elastik mod ve ısı genişletmede kademeli varyasyon, mekanik ve termal yükler altında düzgün bir stres dağılımı yaratır. FGMs'teki çatlakların çözümü, karesel tekillik için genelleştirilmiş stres alanlarının hesaplanması gerekir[Döneticileri 1 ). Erken teorik çalışma, Erdoğan ve eş-konomik olmayan malzemelerde stres faktörlerine bağlı olarak, ancak ön faktörlere ve gradyan bir şekilde bağlıdır.

Modulus gradasyon çatlaklara normal bir şekilde hitap ettiğinde, stres yoğunluğu faktörü sert bölgelerden 30-50'ye kadar azaltılabilir, yapılandırma daha az olumlu hale getirebilir.Bu nedenle, FGMs beklenen hizmet yükleri ile birlikte gradasyon yönünden tasarlanmıştır.

FGMs'te Crack Initiation and Propagation in FGMs

FGM'lerde genellikle işlem kusurları, gözenekler veya notajlar halinde yapılır. Yerel kırıklık, yerel kompozisyonla değişir, karışımların veya daha karmaşık modellerin bir kuralına göre değişir. Örneğin, Al)). /Al FGMs, seramik-rich tarafı daha yüksek güç ve daha düşük güçlere sahiptir, ancak metal-rich yan daha yüksek sertliğe sahiptir.

Mikroskop kullanarak deneysel gözlemler, FGM'lerde çatlakların nadiren sertleştiğini ortaya koyuyor.Krizal gradyanların bölgeleri boyunca sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık görülür.Bu, kırık enerjiyi arttırır ve çatlakları güçlendirir.

Faktörler Fracture Davranışı Etkiliyor

  • [FONT:0)Standart gücü ve adhesion[Dönetici: 1) In katmanlı malzemeler, iç içe dönük sertlik kontrolleri çatlakların nüfuzu veya deflect. For FGMs, the continuous gradasyon removes separate arabirimler, ancak yerel mülk mikroyapısal sınırlar hala önemli.
  • [FONT:0)Malzeme mülkleri [Döneticiler: [Döneticiler: 1))) - elastik modulus, termal genişleme ve sertlik, stres yoğunluk faktörlerini ve çatlaklar yollarını güçlü etkiler. Steep gradients yüksek yerel streslere ve erken başarısızlıklara yol açabilir.
  • [FONT:0)Loading koşulları ve stres devletler[Dönemli: Fracture davranışı statik, döngüsel ve termal yükleme altında farklıdır. FGMs özellikle termal genişlemede yüksek çözünürlükler ısıtılır, ısı geçişi azaltılır.
  • [FONT:0) Eksiklik veya kusurların (Dönetici: 1)) Önlemler, çatlaklar gibi üretim kusurları ve stres artışları gibi davranırlar. Bir hatanın etkisi, yüksek orandaki düşük bölgelere göre büyüklüğüne bağlıdır. Küçük kusurların daha büyük kusurların, sert bölgelerde yer alan durumlarda felaket başarısızlığı tetikleyebilirler.

Katmanlı ve FGMs'te Fracture modelleme ve Simülasyon

Hassas davranışın doğru tahmini, malzeme heterojenliği, doğrusal olmayanlığı yakalamak ve başarısızlık mekanizmaları gerektirir.Sonlu elemanlar yöntemi (FEM) genellikle kohesive bölge modelleriyle bir araya gelir ve yeniden yükleme olmadan yayılmaya olanak sağlar. FGMs için, mülk gradientler, yerel kompozisyona göre elemente özgü malzeme özelliklerini tayin ederek dahil edilir. Genişletilmiş element yöntemleri (XFEM)

Sürekli hasar mekaniği (CDM) modelleri, FGM'lerde monoton veya döngüsel yükleme altında ilerici bir bozulmayı tahmin etmek için kullanılır. Bu modeller, susuyla gelişen bir hasar değişkeni tanımlar, hasarın kritik bir eşiğine ulaşmasında çatlakları azaltır ve liderlik eder.

Örneğin, atomik ölçekli simülasyonlar (molecular dinamikler) ile FGM'ler için sürekli olarak sayısal yaklaşımlar elde etmek için bağlantı kurma modelleri. Örneğin, atomik potansiyeller, yüzeysel / metal sistemlerde arayüzel geçiş enerjisini tahmin edebilir, daha büyük ölçekli kohesive bölge parametreleri için giriş sağlayabilir. FGM'ler için kapsamlı bir inceleme Paulino ve iş arkadaşları, yayınlar alanında yaygın olarak alıntılanabilir.

Dış bağlantı örneği: [[0|Köpektif bölge modeli - Wikipedia).

Fractureing için Deneysel Teknikler

Katmanlı ve FGMs'te kırılmanın deneysel karakterizasyonu, uzaysal olarak çözülmeli ölçümler ve yükleme modlarının kontrol edilmesi nedeniyle eşsiz zorluklar sunuyor. Ortak test yöntemleri şunları içerir:

  • [FONT:0) Çift kantlı kiriş (DCB)) - arabirimlerin sertliğini kırdım.Sekste, arayüzde ön-koşullar yük yük yük yük yük yük yük yük yük, kritik enerji salım oranı ile ilgilidir:2).
  • [FONT:0] Üç nokta veya dört nokta bükme - Bireysel tabakaların veya ince FGMlerin sertliğini ölçmek için kafa karıştırıcılar, mülk gradientle bağıl olarak bilinen çatlakları ölçmek için birleştirin.
  • [FONT:0]İndentasyon ve çizer testleri[Döntgen: 1) Küçük ölçekli örnekler veya kaplamalar için, Vickers indentation, uzunlar kırık sertliği tahminleri sağlayan radial çatlakları tetikleyebilir. Bu yöntem yerel kompozisyon ve rezisyona karşı hassastır.
  • [FONT:0)In-situ mikroscopy[[DIC)[Dönemli) – Kesikli elektron mikroskobu ile mekanik yükleme (SEM) veya X-ray mikrotomografi, çatlakların doğrudan gözlemlenmesine ve yayılımına izin verir. Dijital korelasyon görüntü (DIC) tam-fieldsiyon haritaları, çatlakları doğrulamak için gerekli olan çatlakları doğrulama ve bridging modelleri için temel sağlar.

Malzeme özellikleri için muhasebe tarafından FGM'ler için gelişmiş teknikler, J-integral ölçümleri sadece belirli koşullar altında değerlendirilmiş olsa da, çok-specimen yöntemleri kullanılarak FGM'ler için uygun hale getirildi.

Uygulamaları ve Vaka Çalışmaları

Havacılık ve Termal Engel Kaplamaları

Gaz türbini motorlarında, termal bariyer kaplamaları (TBCs) bir seramik ve metal arasında yüksek stres oluşturur (örneğin, yttria-stabilized zirconia, YSZ) ve süperalloy substratı üzerinde metalik bir bağ ceketi.

Dış bağlantı örneği: [FONTD:0)Functionally derece yüksek termal bariyer kaplamaları - Seramik Endüstri).

Biomedical İmplantlar

FGMs diş implantlarında ve ortopedik prostezde kemik erimesinin doğal notlu arayüzünü azaltıp, kemik arayüzlerine kıyasla göz ardı edilebilir metaller.Bu implantların kırık davranışı, gradient profiline engel olmak için anlaşılabilir.Prospek/hidrojenize FGMs ile yapılan çalışmalar, bir derece kırık arabirimlerin keskin arayüzlerin riskini azaltır ve sert arabirimlere kıyasla kırılabilir.

Zırh ve Koruyucu Yapılar

Katmanlı seramik / metal zırh sistemleri, boroncd/aluminum gibi, projektör enerjisini absorbe etmek için çatlakların limitini artırıp sınırlandırdığını ortaya koydu. FGMs, yanlış eşleştirmeyi azaltmak ve çok-hitlik yeteneği geliştirmek için interkatlı sistemler olarak araştırıldı.

Future Yol ve Challenges

Önemli ilerlemelere rağmen, birçok zorluk, karmaşık gradyan ve FGMs'in kırık davranışını anlamakta ve mühendislikte kalmaktadır. İlk olarak, [[DÜD:0)fabrikasyon repucitesi), özellikle de büyük ölçekli FGM'ler için karmaşık gradyanlarla ilgili olarak, makine öğrenimi algoritmalarının eğitilmesi ve maliyet-aktif üretim süreçleri gibi temelleme yöntemlerinin geliştirilmesi aktif olarak geliştirilmektedir.

Üçüncü olarak, UltraD:0)environmental etkiler[Dönetici: 0,3) Farklı tasarımlar arasındaki güvenilir karşılaştırmalar ve radyasyonun kırılma yayılımını hızlandırabilir. Uzun vadeli dayanıklılık çalışmaları, şu anda birçok FGM sistemi altında yapılan çalışmalar için eksiktir. Dördüncü, sınıfsız malzemeler için standartlaştırılmış test yöntemlerine ihtiyaç vardır.

Son olarak, iyileştirici ajanları içeren mikrokaplar veya damar ağları, kendi kendine özgü polimer tabanlı FGM'ler üzerinde yapılan ilk çalışmalar sonucunda kırılmak için üst düzey bölgelerde gömülüdür.

Dış bağlantı örneği: [0]Kendi derece materyallerde kendini kınayan nefse - Doğa Bilimsel Raporlar, 2020).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Katmanlı malzemeler, çatlakların bozulması ve arayüzlerdeki gecikmelerin azaltılması, doğrulanma yöntemlerinin belirlenmesi ve uygulanması için karmaşık bir interplay of arabirimler tarafından yönetilir.Firma sistemleri, mülkiyet gradients ve yükleme koşulları. Katmanlı malzemeler, çatlakların uç ortamlardaki kullanımı ve çatlakların temel mekanizmalarına devam ederken, FGMs, güvenilir ve güvenli mühendislik bileşenleri için gerekli olan temel kırıklık mekanizmalarına devam eder.

Dış bağlantı örneği: [[0|Functionally Graded Materials – ScienceDirect).