1. Verbindungsmechanismus der Titan/Stahl-Verbundplatte
Die Grenzflächenbindung zwischen heterogenen Metallmaterialien kann in drei Arten unterteilt werden: physikalische Bindung, chemische Bindung und mechanische Bindung. Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen und andere physikalische Bindungen kommen häufig in Verbundwerkstoffen auf Polymerbasis vor. Unter chemischer Bindung versteht man die Wechselwirkung und chemische Reaktion zwischen zwei Materialien unter bestimmten Prozessbedingungen, die zur Bildung einer chemischen Bindung führt, die üblicherweise bei Verbundwerkstoffen auf Metallbasis zu finden ist. Die mechanische Bindungskraft umfasst hauptsächlich die Reibungskraft, die durch die Oberflächenrauheit des Materials bestimmt wird. Je höher die Oberflächenrauheit des Metalls in Verbundwerkstoffen ist, desto größer ist die mechanische Bindungskraft. Fast alle Verbundwerkstoffe verfügen über eine mechanische Bindungskraft. Basierend auf den oben genannten drei Arten von Kombinationen haben Forscher die Verbundwerkstofftheorie aus mehreren Perspektiven vorgeschlagen.
(1) Diffusionstheorie
Die Diffusionstheorie besagt, dass zwei heterogene Materialien aufgrund des engen Kontakts während der großen plastischen Verformung enorme Verformungswärme freisetzen. Wenn sich die Verformungswärme allmählich ansammelt, stimuliert diese Verformungswärme die Diffusion zwischen verschiedenen Elementen und bildet so eine metallurgische Verbindungsschicht.
(2) Rekristallisationstheorie
Gemäß der Rekristallisationstheorie werden die heterogenen Atome im Grenzflächenkontaktbereich der Metallplatte neu angeordnet, wobei sie sich allmählich der Gitterkonstante nähern, und die Metallatome werden neu angeordnet, was zur Bildung gemeinsamer Körner auf den beiden Metallplatten führt. Die Rekristallisationstheorie ist nur für den Verbundprozess heißer Metallbleche wirksam und kann das Bindungsphänomen von Metallbrammen bei niedrigen Temperaturen nicht erklären.
(3) Metallbindungstheorie
Wenn Metalle unterschiedlicher Materialien unter Druck gesetzt werden, nähern sie sich allmählich an, und wenn der Abstand zwischen den Atomen abnimmt, von der Abstoßung zur Anziehung, bilden sich Metallbindungen. Die nachfolgende Energietheorie schlug vor, dass Grenzflächenatome bestimmte Energiebedingungen erfüllen müssen, um Metallbindungen zu bilden, was eine Ergänzung zur Metallbindungstheorie darstellt.
(4) Dünnschichttheorie
Wenn Metall einer plastischen Verformung unterliegt, wird die Oberflächenhärtungsschicht oder Oxidschicht beschädigt und frisches Metall wird durch die Einwirkung der Walzkraft herausgedrückt, wodurch eine Grenzflächenbindung erreicht wird.
(5) Mechanische Kombinationstheorie
Unter der sogenannten mechanischen Verbindung versteht man die gegenseitige Verbindung zwischen der Matrix und dem Verstärkungskörper, die ausschließlich auf mechanischer Verbindungskraft beruht. Es handelt sich um einen Verbundwerkstoff, der durch die Einwirkung von Reibung aus der Matrix und dem Verstärkungskörper gebildet wird. Diese Form der Verbundplatte kann jedoch nur einer einzigen Längsbelastung standhalten.
Der Mechanismus der Grenzflächenbindung ist komplex und vielfältig, und auch der Grenzflächenbindungsmechanismus zwischen verschiedenen Metallmaterialien ist unterschiedlich. Es ist schwierig, es mit einem einzigen zusammengesetzten Mechanismus umfassend zu beschreiben. In praktischen Anwendungen verfügen die Grenzflächen von Verbundwerkstoffen oft über mehrere unterschiedliche Bindungsmechanismen gleichzeitig.
Das erste Ficksche Gesetz kann die Diffusion im stationären Zustand gut beschreiben, aber in den meisten Fällen gehört die Diffusion zur Diffusion im nichtstationären Zustand. Bei instationärer Diffusion variiert die Konzentration eines Stoffes je nach Diffusionsstrecke und -zeit und das erste Ficksche Gesetz gilt nicht. Um dieses Problem anzugehen, wurde das zweite Fick-Gesetz vorgeschlagen, das das Problem der instationären Diffusion wirksam lösen kann
Atomtheorie
Die Atomtheorie erklärt den Mechanismus der Diffusion. Nach der Atomtheorie können drei Diffusionsmechanismen entdeckt werden: Lücke, Austausch und Leerstelle. Die schematischen Diagramme der drei Diffusionsmechanismen sind in Abbildung 1-5 dargestellt.
Spaltdiffusionsmechanismus: Wenn sich in den Kristalllücken kleine Atome befinden, können diese Atome in die Gitterlücken diffundieren. Beim Diffusionsprozess bewegen sich diffundierende Atome von einer Lücke durch benachbarte Atome zu einer anderen Gitterlücke, was zu einer Gitterverzerrung führt, die häufig bei der Atomdiffusion in interstitiellen festen Lösungen auftritt.
Austauschdiffusionsmechanismus: Gelöste Atome und Lösungsmittelatome haben ähnliche Größen und erreichen die Diffusion durch Positionsaustausch. Diese Art des Positionsaustauschs kann zu erheblichen Gitterverzerrungen führen, und aufgrund der unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten unterschiedlicher Atome ist es schwierig, eine Diffusion über den Austauschmechanismus zu erreichen, der nur auf Atome desselben Typs anwendbar ist. Daher ist seine Rolle in Legierungen sehr begrenzt.
Mechanismus der Leerstellendiffusion: Leerstelle bezieht sich auf einen Defekt in der Kristallstruktur, der die fehlende Position eines Atoms oder Ions in der Kristallstruktur darstellt. Der Leerstellendiffusionsmechanismus bezieht sich auf den Übergang und die Diffusion von Partikeln oder Leerstellen in festen Materialien von einem Kristallgitterpunkt zu einem anderen.
2. Faktoren, die die Diffusion beeinflussen
Frühere Studien haben gezeigt, dass Faktoren wie Temperatur, Druck/Druck, Kristallstruktur, innere Defekte von Kristallen und chemische Zusammensetzung einen erheblichen Einfluss auf die Diffusionsrate haben
(1) Temperatur
Wenn die Temperatur steigt, nehmen die Kollisionsfrequenz und die Energie zwischen den Partikeln innerhalb der Substanz zu, und auch die Partikelgeschwindigkeit nimmt zu, was es den Partikeln erleichtert, von Bereichen mit hoher Konzentration in Bereiche mit niedriger Konzentration zu diffundieren.
(2) Kristallstruktur
Der in der Atomtheorie beschriebene Atomdiffusionsmechanismus umfasst hauptsächlich Leerstellendiffusion, Lückendiffusion oder Austauschdiffusion. Unabhängig davon, welchen Diffusionsmechanismus Atome für die Diffusion nutzen, müssen ihre Diffusionsbahnen durch Gitterknoten oder Gitterlücken verlaufen. Die ursprüngliche vollständige Kristallstruktur wird aufgrund der durch heterogene Atome verursachten Gitterverzerrung stark von der Kristallstruktur und dem Kristalltyp beeinflusst.
(3) Kristalldefekt
Kristallstrukturfehler können in Punkt-, Linien- und Oberflächenfehler unterteilt werden. Die Diffusionsgeschwindigkeit von Punktdefektmaterialien wirkt fördernd, während der Einfluss von Liniendefekten und Oberflächendefekten auf die Diffusion komplexer ist. Unterschiedliche Arten und Mengen von Defekten können unterschiedliche Auswirkungen auf den Diffusionsprozess haben.
(4) Druck/Druck
Mit zunehmendem Druck nimmt der durchschnittliche Abstand zwischen den Partikeln ab und ihre Wechselwirkungen werden stärker. Es erleichtert den Partikeln den Übergang von Bereichen mit hoher Konzentration zu Bereichen mit niedriger Konzentration und erhöht dadurch die Diffusionsgeschwindigkeit.
