1. Механизм межфазного соединения композитной пластины титана и стали.
Межфазное соединение между гетерогенными металлическими материалами можно разделить на три типа: физическое соединение, химическое соединение и механическое соединение. Силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и другие физические связи обычно встречаются в композитных материалах на основе полимеров. Химическая связь — это взаимодействие и химическая реакция между двумя материалами в определенных условиях процесса, приводящая к образованию химической связи, обычно встречающейся в композиционных материалах на основе металлов. Механическая сила сцепления в основном включает в себя силу трения, которая определяется шероховатостью поверхности материала. Чем выше шероховатость поверхности металла в композиционных материалах, тем больше сила механического соединения. Почти все композиционные материалы обладают механической силой сцепления. Основываясь на трех вышеупомянутых типах комбинаций, исследователи предложили теорию композитных материалов с разных точек зрения.
(1) Теория диффузии
Теория диффузии утверждает, что два гетерогенных материала будут выделять огромное тепло деформации из-за тесного контакта во время обработки большой пластической деформации. Поскольку тепло деформации постепенно накапливается, это тепло деформации будет стимулировать диффузию между различными элементами, тем самым образуя металлургический связующий слой.
(2) Теория рекристаллизации
Согласно теории рекристаллизации, гетерогенные атомы в области межфазного контакта металлической пластины перестраиваются, постепенно приближаясь к постоянной решетки, а атомы металла перестраиваются, в результате чего на двух металлических пластинах образуются общие зерна. Теория рекристаллизации эффективна только для процесса соединения горячих металлических листов и не может объяснить явление склеивания металлических пластин при низких температурах.
(3) Теория металлических связей
Когда металлы разных материалов находятся под давлением, они постепенно сближаются друг с другом, и по мере уменьшения расстояния между атомами, от отталкивания к притяжению, образуются металлические связи. Последующая энергетическая теория предположила, что атомы на границе раздела должны соответствовать определенным энергетическим условиям для образования металлических связей, что является дополнением к теории металлических связей.
(4) Теория тонкой пленки
При пластической деформации металла поверхностный упрочняющий слой или оксидный слой повреждается, и под действием силы прокатки свежий металл выдавливается, обеспечивая межфазное соединение.
(5) Теория механической комбинации
Так называемое механическое соединение относится к взаимному соединению между матрицей и армирующим телом, основанному исключительно на силе механического соединения. Это композиционный материал, образованный матрицей и армирующим телом под действием трения, но такая форма композитной пластины может выдерживать только одну продольную нагрузку.
Механизм межфазного соединения сложен и разнообразен, различен и механизм межфазного соединения между различными металлическими материалами. Ее сложно всесторонне описать единым составным механизмом. В практических приложениях интерфейс композитных материалов часто имеет одновременно несколько различных механизмов соединения.
Первый закон Фика может хорошо описать стационарную диффузию, но в большинстве случаев диффузия относится к нестационарной диффузии. В случае нестационарной диффузии концентрация вещества меняется в зависимости от расстояния диффузии и времени, и первый закон Фика не применяется. Для решения этой проблемы был предложен Второй закон Фика, который может эффективно решить проблему нестационарной диффузии.
Атомная теория
Атомная теория объясняет механизм диффузии. Согласно атомной теории, можно обнаружить три механизма диффузии: разрыв, обмен и вакансия. Схематические диаграммы трех механизмов диффузии показаны на рисунке 1-5.
Механизм диффузии через щели: когда в зазорах кристалла находятся атомы небольшого размера, эти атомы могут диффундировать в зазоры решетки. В процессе диффузии диффундирующие атомы перемещаются из одной щели через соседние атомы в другую щель решетки, вызывая искажение решетки, обычно наблюдаемое при диффузии атомов в твердых растворах внедрения.
Механизм обменной диффузии: атомы растворенного вещества и атомы растворителя имеют одинаковые размеры и достигают диффузии посредством обмена позициями. Этот тип позиционного обмена может вызвать значительные искажения решетки, а из-за разных коэффициентов диффузии разнородных атомов трудно добиться диффузии по механизму обмена, который применим только к атомам одного и того же типа. Поэтому его роль в сплавах весьма ограничена.
Механизм диффузии вакансий: Вакансия относится к дефекту в кристаллической структуре, который представляет собой недостающее положение атома или иона в кристаллической структуре. Механизм диффузии вакансий относится к переходу и диффузии частиц или вакансий внутри твердых материалов из одной точки кристаллической решетки в другую.
2. Факторы, влияющие на диффузию
Предыдущие исследования показали, что такие факторы, как температура, давление/давление, кристаллическая структура, внутренние дефекты кристаллов и химический состав, оказывают существенное влияние на скорость диффузии.
(1) Температура
При повышении температуры частота и энергия столкновений между частицами внутри вещества увеличиваются, а также увеличивается скорость частиц, что облегчает диффузию частиц из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией.
(2) Кристаллическая структура
Механизм атомной диффузии, описанный в атомной теории, в основном включает диффузию вакансий, диффузию щелей или обменную диффузию. Независимо от того, какой механизм диффузии используют атомы для диффузии, их траектории диффузии должны проходить через узлы решетки или щели решетки. На исходную полную кристаллическую структуру сильно влияют кристаллическая структура и тип кристалла из-за искажения решетки, вызванного гетерогенными атомами.
(3) Дефект кристалла
Дефекты кристаллической структуры можно разделить на точечные, линейные и поверхностные. Скорость диффузии материалов с точечными дефектами оказывает стимулирующий эффект, тогда как влияние линейных и поверхностных дефектов на диффузию более сложное. Различные типы и количества дефектов могут оказывать различное влияние на процесс диффузии.
(4) Давление/Давление
С увеличением давления среднее расстояние между частицами уменьшается и их взаимодействие становится сильнее. Это облегчает перемещение частиц из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, тем самым увеличивая скорость диффузии.
