Language
Country/Area
No result found
Bạn có biết cách tăng sức mạnh bằng cách thay đổi cấu trúc vật liệu không?
Trong thế giới kỹ thuật ngày nay, tính chất cơ học của vật liệu là hết sức quan trọng. Từ xây dựng đến hàng không vũ trụ, độ bền, độ dẻo và độ dẻo dai là những yếu tố không thể thiếu trong thiết kế và ứng dụng. Việc thay đổi cấu trúc của vật liệu có thể cải thiện hiệu quả các đặc tính này và cung cấp các giải pháp tùy chỉnh cho các ứng dụng khác nhau. Theo nghiên cứu mới, bằng cách điều chỉnh cấu trúc của vật liệu tinh thể và vô định hình, các kỹ sư có thể tăng cường độ dẻo, độ dẻo và độ dẻo dai của chúng.
Có thể đạt được sự cải thiện độ bền thông qua nhiều cơ chế khác nhau, chẳng hạn như tăng cường dung dịch rắn, làm cứng kết tủa và tăng cường ranh giới hạt.
Các đặc tính của thép chủ yếu được hình thành do dung dịch cacbon rắn xen kẽ vào lưới sắt, từ đó nâng cao tính chất cơ học của thép. Đồng thau, một hợp kim của đồng và kẽm, thể hiện tính chất cơ học tốt hơn so với các kim loại thành phần do khả năng tăng cường dung dịch rắn của nó. Thay đổi quy trình, chẳng hạn như rèn kim loại nóng đỏ, là một phương pháp cổ xưa và hiệu quả đối với những người thợ thủ công bằng sắt đen. Việc làm cứng này có thể gây ra sự lệch và tăng thêm độ bền năng suất của vật liệu.
Cơ chế tăng cường vật liệu
Hiện có năm cơ chế tăng cường vật liệu được biết đến. Các cơ chế này được thiết kế để cản trở sự chuyển động của các trật khớp, do đó làm tăng độ bền của vật liệu. Lực cản chuyển động trật khớp giúp tăng khả năng chống biến dạng của vật liệu. Các cơ chế này bao gồm:
Tăng cường công việc
Trật khớp là nguyên nhân chính khiến công việc bị cứng. Khi một số lượng lớn các sai lệch xuất hiện trên bề mặt vật liệu, chúng sẽ tương tác với nhau để tạo ra một trường ứng suất, từ đó cản trở chuyển động của các sai lệch. Trong trường hợp này, mối quan hệ giữa mật độ trật khớp và cường độ cắt rất chặt chẽ, do đó độ cứng của công việc được phản ánh qua sự gia tăng mật độ trật khớp.
Tăng cường và hợp kim dung dịch rắn
Sự tăng cường của dung dịch rắn đạt được bằng cách thêm các nguyên tử chất tan của một nguyên tố vào vật liệu khác. Những nguyên tử này có thể gây biến dạng mạng tinh thể và do đó cản trở sự chuyển động của sự lệch vị trí. Nồng độ chất tan càng cao thì cường độ chảy của vật liệu càng cao, nhưng đồng thời tác dụng tăng cường của nó cũng có giới hạn.
Mưa đông cứng
Trong hầu hết các hệ nhị phân, lượng hợp kim dư thừa sẽ dẫn đến sự hình thành pha thứ hai. Những kết tủa pha thứ hai này hoạt động như các nguyên tử hòa tan trong dung dịch rắn và cản trở chuyển động trật khớp.
Gia cố phân tán
Tương tự như làm cứng kết tủa, làm cứng phân tán sử dụng các kết tủa không kết hợp để thu hút và cố định các sai lệch. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả ở nhiệt độ cao và có thể được sử dụng để tạo ra vật liệu có độ bền cao.
Tăng cường ranh giới hạt
Trong các kim loại đa tinh thể, kích thước hạt có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ học. Ranh giới hạt cản trở sự di chuyển của các sai lệch, do đó cường độ chảy của vật liệu tăng lên khi kích thước hạt giảm.
Cơ chế tăng cường của vật liệu vô định hình
Đối với các vật liệu vô định hình, chẳng hạn như polyme và gốm sứ, các phương pháp gia cường khá khác so với các phương pháp gia cường cho kim loại. Việc tăng cường độ bền của các vật liệu này chủ yếu dựa vào sự thay đổi cấu trúc hóa học và cách chúng được xử lý.
Sự cải thiện độ bền của polyme chủ yếu đến từ sự gia tăng liên kết chéo giữa các chuỗi. Liên kết ngang này làm cho vật liệu cứng hơn và có khả năng chống nứt.
Ví dụ, trong polyme nhiệt rắn, cầu nối disulfua và các liên kết cộng hóa trị khác cho phép chúng duy trì độ ổn định cấu trúc tốt ở nhiệt độ cao. Do đó, việc tăng cường các loại polyme khác nhau có thể được thực hiện bằng cách đưa vào các sợi, hạt và các chất bổ sung khác.
Thách thức và cơ hội
Tuy nhiên, việc nâng cao sức mạnh vật chất không phải không có cái giá phải trả. Mỗi cơ chế tăng cường có thể ảnh hưởng đến các tính chất vật lý và hóa học khác. Ngoài ra, độ bền của vật liệu không thể tăng vô thời hạn và việc tăng cường quá mức có thể dẫn đến giảm một số tính chất nhất định, chẳng hạn như độ dẻo dai hoặc độ dẻo. Do đó, các kỹ sư phải xem xét việc cải thiện độ bền đồng thời tính đến các đặc tính hiệu suất cần thiết khác khi thiết kế vật liệu.
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ, sự hiểu biết về tính chất vật liệu ngày càng sâu sắc hơn và những vật liệu vừa có độ bền cao vừa có độ dẻo tốt có thể xuất hiện trong tương lai. Liệu nó có thể tìm ra sự cân bằng tốt nhất giữa sức bền và các đặc tính khác hay không sẽ là thách thức và cơ hội lớn cho sự phát triển của khoa học vật liệu trong tương lai.
