Mikroyapısal özellikler 100 nanometreden daha küçük özelliklerle karakterize edilen nanoyapısal malzemeler, genellikle geleneksel koarse-grained materyallerin bu tür yapılarında çatlakların nasıl başlatıldığını ve benzersiz deformasyon mekanizmalarının güvenilir bileşenlerde uygulanması için onları çekici hale getirir.Bu makale, nanoyapıtların bozulmasında kırık davranışlarının kırılması için kapsamlı bir bakış sunar - çalışmadaki hataların ortak bir yolu olarak gözlemlenir ve ortaya çıkarır.

Nanoyapılı Malzemeye Giriş

Nanoyapılı malzemeler, mikroyapısal boyutlarda derin bir şekilde nano ölçekli rejim içinde geniş bir malzeme sınıfı içerir.En yaygın tip, nanokristal metaller, bireysel tahıllar genellikle 100 nm uzunluğundaki baskıcıları içerir, nanokompozisyonları ikincil bir fazla birleştirir ve nanogözlü malzemelerle birleştirir.

Nanoyapılı malzemelerin mekanik cevabı, yüksek miktarda tahıl sınırları tarafından yönetilir.Bu uzunlukta, klasik Hall-Petch ilişkisi - ki bu geçiş güç ve iyonluk arasındaki dengeyi azaltılırken, genellikle 10-20 nm.Bu eşiğin altındaki, ters Hall-Petch etkisi meydana gelebilir, tahıl sınırının kaydırılır ve spiralli betonun bozulması gibi sertleştirici mekanizmaların bozulması önemlidir.

Nanoyapılı malzemelerin teknolojik önemi aşırı devletsiz olamaz. Otomotiv ve havacılık endüstrilerinde hafif yapısal bileşenler için araştırılıyor, yüksek güç ağırlığı oranına göre yüksek yakıt tüketimi azalır. Biyomedikal implantlarda, nanograined titanyum ve titanyum alaşımları gelişmiş osseointegrasyon ve korozyon direnci sunar. Ancak, susceptability to brittle or quasi-brickick yaygın olarak kabul edilebilir.

Nanoyapılı Malzemede Fracture Mechanics in Nano structured Materials

Klasik kırık mekanikler, ön-existing çatlaklarının ön planda tutulmasıyla maddi başarısızlıkları açıklar. Lineer elastik malzemeler için, stres yoğunluğu faktörü )K) ve çatlaklar sürüş gücü G) Sonuç olarak, kırıklık kriterini tanımlamak gerekir.

Crack Initiation

Nanoyapılı malzemelerde dövme genellikle mikroyapısal zayıf noktalarda meydana gelir, öncelikle tahıl sınırları ve üçlü eklemler.Bu siteler elastik anisotropy nedeniyle stres koncentratörleri ve yan yanak tahıllar arasındaki yanlış uyum gösterir.Kırıklamalar, çatlakların tipik olarak bir şekilde kırılırken, nanoyapılan malzemeler, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte hasar verir. Moleküler dinamik simülasyonlar, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunurlar.

Bir başka çatlak kaynağı, tahıl sınırları ile dislokasyonların etkileşimidir. Nanoyapılı malzemelerde, dislokasyonlar stres altında tahıl sınırlarından kaynaklıdır, ancak daha büyük tahıllar çevreleyen nano-parçacık matrisleri stresle stresin azaltılmasını sağlar.

Crack Propagation

Bir çatlaklar başladığında, yayılımı nano ölçekli mimari tarafından önemli ölçüde etkilenir. Coarse-grained malzemelerde, çatlaklar genellikle toplam kırık yüzey alanını ve dolayısıyla, düşük kırık enerjide oluşan enerjiler çatlakları da çatlakları arttırır, ancak, çoğunlukla kırılmış parçalara dönüşür ve çatlakları azaltır.

Ayrıca, her tahıl içindeki sınırlı sayıda dislokasyon kaynağı, çatlakların ısıtılmasının ısıtılmasının (TEM) nano kristalin alüminyum ve nikel üzerindeki çalışmaların doğrudan bu bridging bağlarını gözlemleyebilmesi için, bu fenomenin çatlakları veya bağlara yol açmadan önce önemli ölçüde katkıda bulunulmasını sağlar.Bu fenomen, nanoyapıtlı malzemelerin mikro iletkenlik meslektaşlarına kıyasla daha sert kırık sert kırık sertliği ile karşılaştırıldığında büyük bir katkıda bulunur.

Kırklamanın rolü eşit derecede önemlidir. Bir çatlak bir tahıl sınırıyla karşılaştığında, özellikle de terminalin çekme eksenine göre yanlış olabilir, ancak sapmalar etkili bir kırıklık enerjisini artırır, bu karmaşık bir araştırma alanıdır.

Faktörler Fracture Davranışı Etkiliyor

Nanoyapılı malzemelerin kırık davranışı doğal değildir, ancak mikroyapısal ve dış parametrelere duyarlıdır. Aşağıda, mühendislerin kırık direnç için tasarlarken düşünmeleri gereken temel faktörleri inceleyeceğiz.

Boyut

Boyut en etkili parametredir. tahıl büyüklüğü nanometer rejimine mikrometreden azalırken, güç dramatik bir şekilde artar. Bununla birlikte, kırık sertliği genellikle güçten yoksundur ve yaklaşık 50 nm üzerinde tahıl boyutları azalır, sertliği artırmak için tahıl büyüklüğü azalır.

Boundary Character

Yüksek hacimli sınırlar doğası - düşük düz, yüksek düz veya özel sınırlar (örneğin, ⁇ sınırları) - genellikle yüksek çözünürlükte daha iyi bir direnç sunar. Yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte daha yüksek çözünürlükte bulunabilirler.Örneğin, düşük çözünürlükte sınırların erimesi için daha yüksek çözünürlükte bir miktar daha yüksek çözünürlükte nükletmeler.

Porosity ve İkinci Fazlar

Porosity, plazma sintering gibi gelişmiş sintering tekniklerinin en yüksek çözünürlükte kullanılması ve nano ölçekli oksit veya zayıf partiküller gibi uçlu davranışlar için tercih edilen siteler olarak kullanılabilmesi için temel teşkil etmektedir.

Yükleme Oranı ve Sıcaklık

Nanoyapılı malzemeler genellikle belirgin bir şekilde düşük çözünürlükte ısıtılabilir. Yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte karşılaşılan malzemeler gibi, yüksek çözünürlükte veya patlayıcı yüklemede karşılaşılmış olanlar için zaman eksikliği, dislokasyona maruz kalan plastiklik için zaman eksikliği, kırık modun yüksek sıcaklıklara kadar daha fazla mobil hale gelebilir, nanokristal metallerin dinamik kırıklığı, bu da ısıtılabilir enerji kırıklığı ile ısıtılabilir.

Deneysel Gözlemler

Nanoyapılı malzemelerdeki kırılmanın deneysel karakterizasyonu, nanometre ölçeğine göre uzaysal kararlarla ilgili teknikler gerektirir. 03.03.2012 - İçten gelen elektron mikroskobu[Dönemli) özellikle güçlü, çatlakların doğrudan gözlemlenmesine izin veren bir davranıştır. Örnek olarak nano kristalin platin filmlerine yük verirken, mikroskopların veya kopyaların mikroskoplarının bozulmasına yönelik mikroskopların ortaya çıkmasını sağlayan mikroskop bölgelerin daha yüksek oranda görüldüğünü ortaya koydu.

Bununla birlikte, nanoyapılan malzemeler üzerinde sertlik ölçümleri genellikle kompakt gerilim veya üç noktalı hipotezler kullanılarak yapılır, ancak bu testler nanoyapıyı korumak için gerekli olan küçük örnek boyutlarda zorlanır.Ancak, elektrotositik nanokristaltepositik nikel üzerinde standart testler, konarse-boğazlanmış nikelden 2-3 kat daha yüksek çözünürlük ve tahıl sınırının rolünü pekiştirir.

Önemli bir gözlem, dimple boyutlardaki çatlakların kırılması ile karşılaştırıldığında, bu da nano boyuttaki çatlakların kömürle düşmesini tercih ediyor.Bu tür yapıların üç katın üzerindeki çatlakların ortasında sıklıkla görülür.

Mikroelectromechanical sistemleri (MEMS) test platformları kullanılarak yapılan bağımsız çalışmalar, nanokristal alüminyumun iyonik alüminyumun, 10-4 s-1 ila 102 s-1 arasında hız artışına geçiş yaptığını göstermiştir.

Materyal Tasarım için Implikasyonlar

Kırklama davranışını doğrudan nanoyapılı malzemeleri en iyi performansla tasarlama stratejileriyle ilgili olarak bilgilendirmek. Hedef, güçten ödün vermeden, klasik bir ticari-off malzeme mühendisliğinde.

Başarılı bir yaklaşım, nanoyapılı fazın yüksek gücünden ve koarse tahılların yüksek çözünürlüklerine bağlıdır. daha büyük mikron ölçekli tahıllar (düktörler) nanokristal matrixte, nanoyapılan yüzeyler ve alüminyum alaşımların yüksek gücünden elde edilen maddi faydalar, 1 GPa'nin üzerindeki güçlü yönlerine sahipken,% 10'u aşmaya olanak sağlar.

Bir başka strateji nano ölçekli ikincil aşamalar dahil etmektir. Örneğin, nanokristal metal matrisi veya grafikte nanokristal metal matrisi ile ilgili birkaç ağırlık ekleyerek çatlakları kırarak ve çekme mekanizmaları oluşturmak için önemli ölçüde kırılabilir. Benzer şekilde, seramik nanopartikül takviyeler nanotüplü bir ışık, tahıl sınır pinning ve çatlakları sert bir şekilde artırmak için göstermiştir.

Düşük enerji ikiz sınırlarının tanıtılması veya kök sınırlarına karşı beton sınırlarını artıran iz elementleri kullanarak, kırık direnci de artırabilir. Örneğin, nanokristal nikel-iron alaşımları içindeki boron segregasyonu tahıl sınırlarını güçlendiriyor ve transgranular kırıklığını teşvik ediyor, bu da yüksek sıcaklık servis koşullarını koruyor.

Son olarak, moleküler dinamikler ve faz alan simülasyonları dahil olmak üzere hesaplama modelleme, kırık davranışları tahmin etmek ve deneysel çabaları yönlendirmek için paha biçilmez bir araç haline gelir. Bu modeller, araştırmacıların pahalı bir deformasyon alanına ulaşmalarına izin verebilir. Örneğin,TELFLT:0atomist simülasyonlar).

Sonuç ve Future Yol

Metalli yük altındaki nanoyapılı malzemelerin kırık davranışı temel olarak koarse-grained malzemelerden farklıdır. Yüksek yoğunlukta tahıl sınırları, hem çatlaklar hem de sıcaklık, genellikle üç modülde meydana gelen ve zayıf arabirimlerden oluşur ve aşırılıkta, nanoyapılan malzemelerle birlikte devam eden ölçümlerin yüksek çözünürlükte, çoğunlukla tahıl boyutu, sınır karakteri, porosity, yükleme oranı ve sıcaklıkları arasındaki etkileşimde bulunabileceğini onaylar.

İleriye bakıldığında, birkaç zorluk kalır.Inverse Hall-Petch etkisi hala mikron büyüklükteki sütunlar için minimum tahıl boyutunu sınırlandırır ve yüksek sulu hızlarda dinamik kırılma oranları ile dinamik kırıklıkların geliştirilmesi henüz tam olarak karakterize edilmez. Future research muhtemelen dinamik kırılma sırasında meydana gelen ultra hızlı süreçlere odaklanacaktır.