1. Μηχανισμός συγκόλλησης διεπαφής σύνθετης πλάκας τιτανίου/χάλυβα
Η διασύνδεση μεταξύ ετερογενών μεταλλικών υλικών μπορεί να χωριστεί σε τρεις τύπους: φυσική σύνδεση, χημική σύνδεση και μηχανική σύνδεση. Οι δυνάμεις Van der Waals, οι δεσμοί υδρογόνου και άλλοι φυσικοί δεσμοί βρίσκονται συνήθως σε σύνθετα υλικά με βάση πολυμερή. Ο χημικός δεσμός αναφέρεται στην αλληλεπίδραση και τη χημική αντίδραση μεταξύ δύο υλικών κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες διεργασίας, με αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός χημικού δεσμού, που βρίσκεται συνήθως σε σύνθετα υλικά με βάση το μέταλλο. Η μηχανική δύναμη συγκόλλησης περιλαμβάνει κυρίως τη δύναμη τριβής, η οποία καθορίζεται από την επιφανειακή τραχύτητα του υλικού. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφανειακή τραχύτητα του μετάλλου στα σύνθετα υλικά, τόσο μεγαλύτερη είναι η μηχανική δύναμη συγκόλλησης. Σχεδόν όλα τα σύνθετα υλικά έχουν μηχανική δύναμη συγκόλλησης. Με βάση τους παραπάνω τρεις τύπους συνδυασμών, οι ερευνητές έχουν προτείνει τη σύνθετη θεωρία σύνθετου υλικού από πολλαπλές προοπτικές.
(1) Θεωρία διάχυσης
Η θεωρία της διάχυσης υποστηρίζει ότι δύο ετερογενή υλικά θα απελευθερώσουν τεράστια θερμότητα παραμόρφωσης λόγω στενής επαφής κατά την επεξεργασία μεγάλης πλαστικής παραμόρφωσης. Καθώς η θερμότητα παραμόρφωσης συσσωρεύεται σταδιακά, αυτές οι θερμότητες παραμόρφωσης θα διεγείρουν τη διάχυση μεταξύ διαφορετικών στοιχείων, σχηματίζοντας έτσι ένα μεταλλουργικό συνδετικό στρώμα.
(2) Θεωρία ανακρυστάλλωσης
Σύμφωνα με τη θεωρία της ανακρυστάλλωσης, τα ετερογενή άτομα στην περιοχή επαφής διεπαφής της μεταλλικής πλάκας υφίστανται αναδιάταξη, πλησιάζοντας σταδιακά τη σταθερά του πλέγματος και τα άτομα μετάλλου αναδιατάσσονται, με αποτέλεσμα το σχηματισμό κοινών κόκκων στις δύο μεταλλικές πλάκες. Η θεωρία της ανακρυστάλλωσης είναι αποτελεσματική μόνο για τη σύνθετη διαδικασία θερμών μεταλλικών φύλλων και δεν μπορεί να εξηγήσει το φαινόμενο συγκόλλησης μεταλλικών πλακών σε χαμηλές θερμοκρασίες.
(3) Θεωρία μεταλλικών δεσμών
Όταν τα μέταλλα διαφορετικών υλικών είναι υπό πίεση, σταδιακά πλησιάζουν το ένα το άλλο και καθώς η απόσταση μεταξύ των ατόμων μειώνεται, από την απώθηση στην έλξη, σχηματίζονται μεταλλικοί δεσμοί. Η μεταγενέστερη ενεργειακή θεωρία πρότεινε ότι τα άτομα διεπαφής πρέπει να πληρούν ορισμένες ενεργειακές συνθήκες για να σχηματίσουν μεταλλικούς δεσμούς, κάτι που αποτελεί συμπλήρωμα στη θεωρία των μεταλλικών δεσμών.
(4) Θεωρία λεπτού φιλμ
Όταν το μέταλλο υφίσταται πλαστική παραμόρφωση, το επιφανειακό στρώμα σκλήρυνσης ή το στρώμα οξειδίου καταστρέφεται και το φρέσκο μέταλλο συμπιέζεται κάτω από τη δύναμη κύλισης, επιτυγχάνοντας διεπιφανειακή συγκόλληση.
(5) Θεωρία μηχανικών συνδυασμών
Η λεγόμενη μηχανική σύνδεση αναφέρεται στην αμοιβαία σύνδεση μεταξύ της μήτρας και του ενισχυτικού σώματος που βασίζεται αποκλειστικά στη μηχανική δύναμη συγκόλλησης. Είναι ένα σύνθετο υλικό που σχηματίζεται από τη μήτρα και το ενισχυτικό σώμα υπό τη δράση της τριβής, αλλά αυτή η μορφή σύνθετης πλάκας μπορεί να αντέξει μόνο ένα μόνο διαμήκη φορτίο.
Ο μηχανισμός της διεπαφής συγκόλλησης είναι πολύπλοκος και ποικίλος και ο μηχανισμός σύνδεσης διεπαφής μεταξύ διαφορετικών μεταλλικών υλικών είναι επίσης διαφορετικός. Είναι δύσκολο να το περιγράψεις ολοκληρωμένα με έναν μόνο σύνθετο μηχανισμό. Σε πρακτικές εφαρμογές, η διεπαφή σύνθετων υλικών έχει συχνά πολλαπλούς διαφορετικούς μηχανισμούς συγκόλλησης ταυτόχρονα.
Ο πρώτος νόμος του Fick μπορεί να περιγράψει καλά τη διάχυση σταθερής κατάστασης, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις, η διάχυση ανήκει στη διάχυση μη σταθερής κατάστασης. Στην περίπτωση της ασταθούς διάχυσης, η συγκέντρωση μιας ουσίας ποικίλλει ανάλογα με την απόσταση και το χρόνο διάχυσης και ο πρώτος νόμος του Fick δεν ισχύει. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, προτάθηκε ο δεύτερος νόμος του Fick, ο οποίος μπορεί να λύσει αποτελεσματικά το πρόβλημα της ασταθούς διάχυσης
Ατομική θεωρία
Η ατομική θεωρία εξηγεί τον μηχανισμό της διάχυσης. Σύμφωνα με την ατομική θεωρία, μπορούν να ανακαλυφθούν τρεις μηχανισμοί διάχυσης: χάσμα, ανταλλαγή και κενό. Τα σχηματικά διαγράμματα των τριών μηχανισμών διάχυσης φαίνονται στο σχήμα 1-5.
Μηχανισμός διάχυσης κενού: Όταν υπάρχουν μικρού μεγέθους άτομα στα κρυσταλλικά κενά, αυτά τα άτομα μπορούν να διαχέονται στα κενά του πλέγματος. Στη διαδικασία της διάχυσης, τα άτομα διάχυσης μετακινούνται από ένα διάκενο μέσω γειτονικών ατόμων σε ένα άλλο κενό πλέγματος, προκαλώντας παραμόρφωση πλέγματος, που συνήθως παρατηρείται στην ατομική διάχυση σε ενδιάμεσα στερεά διαλύματα.
Μηχανισμός διάχυσης ανταλλαγής: Τα άτομα διαλυμένης ουσίας και τα άτομα διαλύτη έχουν παρόμοια μεγέθη και επιτυγχάνουν διάχυση μέσω ανταλλαγής θέσης. Αυτός ο τύπος ανταλλαγής θέσης μπορεί να προκαλέσει σημαντική παραμόρφωση πλέγματος και λόγω των διαφορετικών συντελεστών διάχυσης ανόμοιων ατόμων, είναι δύσκολο να επιτευχθεί διάχυση μέσω του μηχανισμού ανταλλαγής, ο οποίος ισχύει μόνο για άτομα του ίδιου τύπου. Επομένως, ο ρόλος του στα κράματα είναι πολύ περιορισμένος.
Μηχανισμός διάχυσης κενού: Το κενό αναφέρεται σε ένα ελάττωμα στην κρυσταλλική δομή που αντιπροσωπεύει τη θέση που λείπει ενός ατόμου ή ιόντος στην κρυσταλλική δομή. Ο μηχανισμός διάχυσης κενού αναφέρεται στη μετάβαση και τη διάχυση σωματιδίων ή κενών θέσεων εντός στερεών υλικών από ένα σημείο κρυσταλλικού πλέγματος σε άλλο.
2. Παράγοντες που επηρεάζουν τη διάχυση
Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η πίεση/πίεση, η κρυσταλλική δομή, τα εσωτερικά ελαττώματα των κρυστάλλων και η χημική σύνθεση έχουν σημαντικό αντίκτυπο στον ρυθμό διάχυσης
(1) Θερμοκρασία
Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, η συχνότητα σύγκρουσης και η ενέργεια μεταξύ των σωματιδίων μέσα στην ουσία αυξάνεται και η ταχύτητα των σωματιδίων αυξάνεται επίσης, γεγονός που διευκολύνει τη διάχυση των σωματιδίων από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης.
(2) Κρυσταλλική δομή
Ο μηχανισμός ατομικής διάχυσης που περιγράφεται στην ατομική θεωρία περιλαμβάνει κυρίως τη διάχυση κενού, τη διάχυση κενού ή τη διάχυση ανταλλαγής. Ανεξάρτητα από τον μηχανισμό διάχυσης που χρησιμοποιούν τα άτομα για τη διάχυση, οι τροχιές διάχυσής τους πρέπει να περνούν μέσα από κόμβους πλέγματος ή κενά πλέγματος. Η αρχική πλήρης κρυσταλλική δομή επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την κρυσταλλική δομή και τον τύπο κρυστάλλου λόγω της παραμόρφωσης του πλέγματος που προκαλείται από ετερογενή άτομα.
(3) Κρυσταλλικό ελάττωμα
Τα ελαττώματα της κρυσταλλικής δομής μπορούν να χωριστούν σε ελαττώματα σημείου, γραμμής και επιφάνειας. Ο ρυθμός διάχυσης των υλικών σημειακών ελαττωμάτων έχει ένα προαγωγικό αποτέλεσμα, ενώ η επίδραση των ελαττωμάτων γραμμής και των επιφανειακών ελαττωμάτων στη διάχυση είναι πιο περίπλοκη. Διαφορετικοί τύποι και ποσότητες ελαττωμάτων μπορεί να έχουν ποικίλες επιπτώσεις στη διαδικασία διάχυσης.
(4) Πίεση/Πίεση
Καθώς η πίεση αυξάνεται, η μέση απόσταση μεταξύ των σωματιδίων μειώνεται και οι αλληλεπιδράσεις τους γίνονται ισχυρότερες. Διευκολύνει τη μετακίνηση των σωματιδίων από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης, αυξάνοντας έτσι την ταχύτητα διάχυσης.
