Какие материалы с известными свойствами обладают наилучшей вязкостью разрушения?

Введение

Вязкость разрушения - это величина, указывающая на энергию, которую может поглотить материал, прежде чем он разрушится. Ученые и инженеры полагаются на это число при выборе материалов для мостов, самолетов и повседневных инструментов. Давайте поговорим о нескольких категориях материалов в простых терминах и о том, как они реагируют на накопление напряжения.

Металлы и сплавы: Чемпионы по прочности

Металлы имеют долгую историю использования там, где вязкость разрушениянеобходима и чрезвычайно высока. Они, скорее всего, продемонстрируют очень хорошее соотношение прочности и пластичности.

- Закаленная сталь: Вязкость разрушения составляет 100-200 МПа√м. Она обладает высокой пластичностью при высокой прочности и используется для изготовления высокопроизводительных деталей и структурных компонентов.

- Стали с высокой вязкостью: Эти стали обладают вязкостью разрушения около 80-150 МПа√м. Эти стали устойчивы к образованию трещин при тщательном контроле микроструктуры и используются в тех областях, где надежность является ключевым фактором.

- Титановые сплавы (титан-6алюминий-4ванадий): Эти сплавы с пределом прочности 55-110 МПа√мшироко используются благодаря малому весу и коррозионной стойкости. Они широко используются в самолетостроении и медицинских приборах.

- Металлические стекла: Имеют давление около 80-100 МПа√м. Они обладают локальной деформацией сдвига в результате своего аморфного характера, что приводит к необычному сочетанию прочности и вязкости.

Металлы склонны быть лучшими по вязкости разрушения, потому что их атомы могут перестраиваться под действием напряжения. Эта перестройка гасит трещины и искажает энергию до катастрофического разрушения.

Керамика: Самые прочные среди хрупких материалов

Керамика очень хорошо известна своей прочностью при высоких температурах. Однако они не так устойчивы к разрушению, как металлы. Инженеры неустанно работают над повышением прочности керамики.

- Иттрий-стабилизированный диоксид циркония (Y-TZP): его вязкость разрушения составляет 10-15 МПа√м. В нем используется трансформационное упрочнение, при котором минимальные изменения в кристаллической структуре делают его более устойчивым к образованию трещин.

- Циркониево-упрочненный глинозем (ZTA): При значениях около 7-10 МПа√мZTA представляет собой усовершенствованный вариант чистого глинозема с преимуществами циркония и глинозема вместе.

Обычная керамика, такая как карбид кремния, обычный глинозем и даже алмаз, имеет более высокие показатели жесткости. Трансформационное упрочнение, перекрытие микротрещин и включение частиц второй фазы, которые замедляют или останавливают рост трещин, являются основными методами упрочнения.

Композиты: Направленная вязкость

Композитные материалы объединяют два или более различных материалов в один. Это позволяет передавать такие свойства, как вязкость разрушения, в соответствии с конкретными потребностями.

- Композиты, армированные углеродным волокном: Они обладают вязкостью разрушения около 20-40 МПа√мв направлении волокон. Благодаря своей прочности и легкости они используются в аэрокосмической промышленности и высокопроизводительном спортивном оборудовании.

- Арамидные композиты и композиты, армированные стекловолокном: их стоимость составляет около 10-20 МПа√м. Автомобильные панели и защитное снаряжение используют их благодаря разумному компромиссу между прочностью и экономичностью.

- Гибридные композиты: Благодаря использованию различных волокон, гибридные композиты обеспечивают индивидуальную прочность. Гибридные композиты используют лучшие свойства каждого материала.

Механизмы, с помощью которых эти композиты становятся устойчивыми к росту трещин, включают вытягивание волокон, перекрытие и прогиб трещины. Такие механизмы замедляют развитие трещины по мере ее продвижения через материал, повышая общую вязкость.

Превосходные / передовые материалы

Передовые материалы не во всем соответствуют обычным тенденциям в области прочности.

- Алмаз: Из-за своей твердости алмаз имеет довольно низкую вязкость разрушения - около 5 МПа√м. Это означает, что при определенных условиях он откалывается или ломается, хотя на поверхности он очень твердый.

- Наноструктурированная керамика и композиты: Они проходят экспериментальные испытания на предмет возможности повышения их жесткости. Тонкая структура может закрывать пути трещин.

- Улучшенные графеном металлы или металлические нанокомпозиты: исследования в обеих областях, вероятно, принесут свои плоды. Эти материалы нового поколения сочетают металлы с наноразмерными свойствами или графеном. Первые признаки свидетельствуют о необычайной прочности и жесткости.

Высокоэффективные материалы продолжают устанавливать более высокие стандарты в отношении вязкости разрушения. Их разработка может привести к созданию более безопасных и эффективных конструкций в будущем.

Заключение

Материалы с высокой вязкостью разрушения лежат в основе подавляющего большинства инженерных применений. Металлы и сплавы являются лидерами по вязкости благодаря своей способности легко деформироваться под действием нагрузки, затупляя вершины трещин до их расширения. Керамика, хотя и традиционно хрупкая, в настоящее время повышает свою прочность за счет механизмов упрочнения, композиты обеспечивают направленную прочность, а передовые материалы подают надежды на перспективу. У каждой группы есть свои достоинства и недостатки. Для более подробного сравнения и списка материалов, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Часто задаваемые вопросы

F: Что измеряет вязкость разрушения?

В: Это показатель того, сколько энергии может выдержать материал, прежде чем он расколется.

F: Почему металлы используются в приложениях с высокой вязкостью?

В: Металлы обладают способностью деформироваться в кончике трещины, препятствуя ее росту.

F: Можно ли использовать керамику в условиях высоких напряжений?

В: Да, но для повышения прочности в них используются такие механизмы, как трансформационное упрочнение.