1. Cơ chế liên kết giao diện của tấm composite titan/thép
Liên kết giao diện giữa các vật liệu kim loại không đồng nhất có thể được chia thành ba loại: liên kết vật lý, liên kết hóa học và liên kết cơ học. Lực Van der Waals, liên kết hydro và các liên kết vật lý khác thường thấy trong vật liệu composite gốc polymer. Liên kết hóa học đề cập đến sự tương tác và phản ứng hóa học giữa hai vật liệu trong các điều kiện xử lý cụ thể, dẫn đến sự hình thành liên kết hóa học, thường thấy trong vật liệu composite gốc kim loại. Lực liên kết cơ học chủ yếu bao gồm lực ma sát, được xác định bởi độ nhám bề mặt của vật liệu. Độ nhám bề mặt của kim loại trong vật liệu composite càng cao thì lực liên kết cơ học càng lớn. Hầu như tất cả các vật liệu composite đều có lực liên kết cơ học. Dựa trên ba loại kết hợp trên, các nhà nghiên cứu đã đề xuất lý thuyết tổng hợp vật liệu composite từ nhiều góc độ.
(1) Lý thuyết khuếch tán
Lý thuyết khuếch tán cho rằng hai vật liệu không đồng nhất sẽ giải phóng nhiệt biến dạng cực lớn do tiếp xúc gần trong quá trình xử lý biến dạng dẻo lớn. Khi nhiệt biến dạng tích tụ dần, những nhiệt biến dạng này sẽ kích thích sự khuếch tán giữa các nguyên tố khác nhau, từ đó hình thành lớp liên kết luyện kim.
(2) Lý thuyết kết tinh lại
Theo lý thuyết kết tinh lại, các nguyên tử không đồng nhất trong vùng tiếp xúc giao diện của tấm kim loại trải qua quá trình sắp xếp lại, dần dần tiến đến hằng số mạng và các nguyên tử kim loại được sắp xếp lại, dẫn đến sự hình thành các hạt chung trên hai tấm kim loại. Lý thuyết kết tinh lại chỉ có hiệu quả đối với quá trình tổng hợp các tấm kim loại nóng và không giải thích được hiện tượng liên kết của các tấm kim loại ở nhiệt độ thấp.
(3) Lý thuyết liên kết kim loại
Khi kim loại của các vật liệu khác nhau bị tạo áp suất, chúng dần dần tiến lại gần nhau và khi khoảng cách giữa các nguyên tử giảm dần, từ lực đẩy đến lực hút, các liên kết kim loại được hình thành. Lý thuyết năng lượng tiếp theo đề xuất rằng các nguyên tử giao diện phải đáp ứng các điều kiện năng lượng nhất định để hình thành liên kết kim loại, đây là phần bổ sung cho lý thuyết liên kết kim loại.
(4) Lý thuyết màng mỏng
Khi kim loại trải qua biến dạng dẻo, lớp làm cứng bề mặt hoặc lớp oxit bị hư hỏng và kim loại tươi bị ép ra dưới tác dụng của lực lăn, đạt được liên kết bề mặt.
(5) Lý thuyết tổ hợp cơ học
Cái gọi là liên kết cơ học đề cập đến sự kết nối lẫn nhau giữa ma trận và phần cốt thép chỉ dựa trên lực liên kết cơ học. Nó là vật liệu composite được hình thành bởi ma trận và thân cốt thép dưới tác dụng của ma sát, nhưng dạng tấm composite này chỉ có thể chịu được một tải trọng dọc duy nhất.
Cơ chế liên kết giao diện rất phức tạp và đa dạng, cơ chế liên kết giao diện giữa các vật liệu kim loại khác nhau cũng khác nhau. Thật khó để mô tả nó một cách toàn diện bằng một cơ chế tổng hợp duy nhất. Trong các ứng dụng thực tế, bề mặt tiếp xúc của vật liệu composite thường có nhiều cơ chế liên kết khác nhau cùng một lúc.
Định luật đầu tiên của Fick có thể mô tả tốt sự khuếch tán ở trạng thái ổn định, nhưng trong hầu hết các trường hợp, khuếch tán thuộc về khuếch tán ở trạng thái không ổn định. Trong trường hợp khuếch tán không ổn định, nồng độ của một chất thay đổi tùy theo khoảng cách và thời gian khuếch tán và định luật thứ nhất của Fick không được áp dụng. Để giải quyết vấn đề này, Định luật thứ hai của Fick đã được đề xuất, có thể giải quyết hiệu quả vấn đề khuếch tán không ổn định
Lý thuyết nguyên tử
Lý thuyết nguyên tử giải thích cơ chế khuếch tán. Theo lý thuyết nguyên tử, có thể phát hiện ra ba cơ chế khuếch tán: khe hở, trao đổi và chỗ trống. Sơ đồ nguyên lý của ba cơ chế khuếch tán được hiển thị trong Hình 1-5.
Cơ chế khuếch tán khe hở: Khi có các nguyên tử có kích thước nhỏ trong các khe hở tinh thể, các nguyên tử này có thể khuếch tán vào các khe hở mạng tinh thể. Trong quá trình khuếch tán, các nguyên tử khuếch tán di chuyển từ khe này qua các nguyên tử lân cận đến khe mạng khác, gây ra sự biến dạng mạng, thường thấy trong khuếch tán nguyên tử trong dung dịch rắn xen kẽ.
Cơ chế khuếch tán trao đổi: Nguyên tử chất tan và nguyên tử dung môi có kích thước tương tự nhau và đạt được sự khuếch tán thông qua trao đổi vị trí. Kiểu trao đổi vị trí này có thể gây ra biến dạng mạng đáng kể và do hệ số khuếch tán khác nhau của các nguyên tử khác nhau nên khó đạt được sự khuếch tán thông qua cơ chế trao đổi, cơ chế này chỉ áp dụng cho các nguyên tử cùng loại. Vì vậy, vai trò của nó trong hợp kim rất hạn chế.
Cơ chế khuếch tán chỗ trống: Chỗ trống đề cập đến một khiếm khuyết trong cấu trúc tinh thể thể hiện vị trí bị thiếu của một nguyên tử hoặc ion trong cấu trúc tinh thể. Cơ chế khuếch tán chỗ trống đề cập đến sự chuyển tiếp và khuếch tán của các hạt hoặc chỗ trống trong vật liệu rắn từ điểm mạng tinh thể này sang điểm khác.
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khuếch tán
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng các yếu tố như nhiệt độ, áp suất/áp suất, cấu trúc tinh thể, khuyết tật bên trong của tinh thể và thành phần hóa học có tác động đáng kể đến tốc độ khuếch tán.
(1) Nhiệt độ
Khi nhiệt độ tăng, tần số va chạm và năng lượng giữa các hạt bên trong chất tăng lên, vận tốc hạt cũng tăng lên khiến các hạt dễ dàng khuếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp.
(2) Cấu trúc tinh thể
Cơ chế khuếch tán nguyên tử được mô tả trong lý thuyết nguyên tử chủ yếu bao gồm khuếch tán chỗ trống, khuếch tán khoảng trống hoặc khuếch tán trao đổi. Bất kể nguyên tử sử dụng cơ chế khuếch tán nào để khuếch tán, quỹ đạo khuếch tán của chúng cần phải đi qua các nút mạng hoặc các khoảng trống mạng. Cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh ban đầu bị ảnh hưởng rất lớn bởi cấu trúc tinh thể và loại tinh thể do sự biến dạng mạng tinh thể do các nguyên tử không đồng nhất gây ra.
(3) Khuyết tật tinh thể
Khiếm khuyết cấu trúc tinh thể có thể được chia thành khuyết tật điểm, đường và bề mặt. Tốc độ khuếch tán của vật liệu khuyết tật điểm có tác dụng thúc đẩy, trong khi ảnh hưởng của khuyết tật đường và khuyết tật bề mặt đến khuếch tán phức tạp hơn. Các loại và số lượng khuyết tật khác nhau có thể có tác động khác nhau đến quá trình khuếch tán.
(4) Áp lực/Áp suất
Khi áp suất tăng, khoảng cách trung bình giữa các hạt giảm và tương tác của chúng trở nên mạnh hơn. Nó giúp các hạt di chuyển dễ dàng hơn từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp, từ đó làm tăng tốc độ khuếch tán.
