1. Titaani/teräs-komposiittilevyn liitosmekanismi
Heterogeenisten metallimateriaalien väliset rajapinnat voidaan jakaa kolmeen tyyppiin: fyysinen sidos, kemiallinen sidos ja mekaaninen sidos. Van der Waalsin voimia, vetysidoksia ja muita fysikaalisia sidoksia löytyy yleisesti polymeeripohjaisista komposiittimateriaaleista. Kemiallinen sidos viittaa kahden materiaalin väliseen vuorovaikutukseen ja kemialliseen reaktioon tietyissä prosessiolosuhteissa, mikä johtaa kemiallisen sidoksen muodostumiseen, jota esiintyy yleisesti metallipohjaisissa komposiittimateriaaleissa. Mekaaninen sidosvoima sisältää pääasiassa kitkavoiman, jonka määrää materiaalin pinnan karheus. Mitä suurempi metallin pinnan karheus on komposiittimateriaaleissa, sitä suurempi on mekaaninen sidosvoima. Lähes kaikilla komposiittimateriaaleilla on mekaaninen sidosvoima. Edellä mainittujen kolmen yhdistelmätyypin perusteella tutkijat ovat ehdottaneet komposiittimateriaalien komposiittiteoriaa useista näkökulmista.
(1) Diffuusioteoria
Diffuusioteorian mukaan kaksi heterogeenista materiaalia vapauttavat valtavaa muodonmuutoslämpöä läheisen kosketuksen vuoksi suuren plastisen muodonmuutoksen käsittelyn aikana. Kun muodonmuutoslämpö vähitellen kasaantuu, nämä muodonmuutoslämmöt stimuloivat diffuusiota eri elementtien välillä muodostaen siten metallurgisen sidoskerroksen.
(2) Uudelleenkiteytysteoria
Uudelleenkiteytysteorian mukaan metallilevyn rajapinnan kosketusalueen heterogeeniset atomit järjestäytyvät vähitellen lähestyen hilavakiota ja metalliatomit järjestäytyvät uudelleen, jolloin kahdelle metallilevylle muodostuu yhteisiä rakeita. Uudelleenkiteytysteoria on tehokas vain kuumien metallilevyjen komposiittiprosessissa, eikä se voi selittää metallilaattojen tarttumisilmiötä matalissa lämpötiloissa.
(3) Metallisidosteoria
Kun eri materiaalien metallit paineistetaan, ne vähitellen lähestyvät toisiaan ja atomien välisen etäisyyden pienentyessä hylkimisestä vetovoimaan muodostuu metallisidoksia. Myöhempi energiateoria ehdotti, että rajapintaatomien on täytettävä tietyt energiaehdot muodostaakseen metallisidoksia, mikä täydentää metallisidosteoriaa.
(4) Ohutkalvoteoria
Kun metalli käy läpi plastisen muodonmuutoksen, pintakovettuva kerros tai oksidikerros vaurioituu ja tuore metalli puristuu ulos vierintävoiman vaikutuksesta, jolloin saadaan aikaan rajapintojen sidos.
(5) Mekaaninen yhdistelmäteoria
Ns. mekaaninen sidos tarkoittaa matriisin ja vahvikekappaleen keskinäistä yhteyttä, joka perustuu pelkästään mekaaniseen sidosvoimaan. Se on komposiittimateriaali, jonka muodostavat matriisi ja vahvikekappale kitkan vaikutuksesta, mutta tämä komposiittilevyn muoto kestää vain yhden pitkittäisen kuormituksen.
Rajapinnan sidosmekanismi on monimutkainen ja monipuolinen, ja myös eri metallimateriaalien välinen liitosmekanismi on erilainen. Sitä on vaikea kuvata kattavasti yhdellä yhdistelmämekanismilla. Käytännön sovelluksissa komposiittimateriaalien rajapinnassa on usein useita erilaisia sidosmekanismeja samanaikaisesti.
Fickin ensimmäinen laki voi kuvata vakaan tilan diffuusiota hyvin, mutta useimmissa tapauksissa diffuusio kuuluu ei-vakaan tilan diffuusioon. Epätasaisessa diffuusiossa aineen pitoisuus vaihtelee diffuusioetäisyyden ja ajan mukaan, eikä Fickin ensimmäinen laki päde. Tämän ongelman ratkaisemiseksi ehdotettiin Fickin toista lakia, joka voi tehokkaasti ratkaista epävakaan diffuusion ongelman
Atomiteoria
Atomiteoria selittää diffuusion mekanismin. Atomiteorian mukaan voidaan löytää kolme diffuusiomekanismia: aukko, vaihto ja tyhjyys. Kolmen diffuusiomekanismin kaaviot on esitetty kuvassa 1-5.
Raon diffuusiomekanismi: Kun kideraoissa on pienikokoisia atomeja, nämä atomit voivat diffundoitua hila-aukoihin. Diffuusioprosessissa diffundoituvat atomit siirtyvät yhdestä raosta viereisten atomien kautta toiseen hilaväliin aiheuttaen hilan vääristymiä, joita havaitaan yleisesti atomidiffuusiossa interstitiaalisissa kiinteissä liuoksissa.
Vaihdon diffuusiomekanismi: Liuenneiden aineiden ja liuotinatomien koko on samanlainen ja ne saavuttavat diffuusion paikanvaihdon kautta. Tämän tyyppinen paikanvaihto voi aiheuttaa merkittäviä hilavääristymiä, ja erilaisten atomien diffuusiokertoimien vuoksi diffuusiota on vaikea saavuttaa vaihtomekanismin kautta, joka koskee vain samantyyppisiä atomeja. Siksi sen rooli metalliseoksissa on hyvin rajallinen.
Vakanssin diffuusiomekanismi: Vakanssilla tarkoitetaan kiderakenteen vikaa, joka edustaa atomin tai ionin puuttuvaa asemaa kiderakenteessa. Vakanssin diffuusiomekanismi viittaa hiukkasten tai tyhjien paikkojen siirtymiseen ja diffuusioon kiinteiden materiaalien sisällä kidehilapisteestä toiseen.
2. Diffuusioon vaikuttavat tekijät
Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että sellaisilla tekijöillä kuin lämpötila, paine/paine, kiderakenne, kiteiden sisäiset viat ja kemiallinen koostumus vaikuttavat merkittävästi diffuusionopeuteen.
(1) Lämpötila
Lämpötilan noustessa aineen sisällä olevien hiukkasten välinen törmäystaajuus ja energia kasvavat, ja myös hiukkasnopeus kasvaa, mikä helpottaa hiukkasten diffundoitumista suuripitoisilta alueilta pienipitoisuuksiin.
(2) Kiderakenne
Atomiteoriassa kuvattu atomidiffuusiomekanismi sisältää pääasiassa tyhjiön diffuusion, aukkojen diffuusion tai vaihtodiffuusiota. Riippumatta siitä, mitä diffuusiomekanismia atomit käyttävät diffuusioon, niiden diffuusioratojen tulee kulkea hilasolmujen tai hilarakojen kautta. Alkuperäiseen täydelliseen kiderakenteeseen vaikuttavat suuresti kiderakenne ja kidetyyppi heterogeenisten atomien aiheuttaman hilavääristymän vuoksi.
(3) Kristallivika
Kiderakenteen viat voidaan jakaa piste-, viiva- ja pintavirheisiin. Pistevikamateriaalien diffuusionopeudella on edistävä vaikutus, kun taas viivavikojen ja pintavikojen vaikutus diffuusioon on monimutkaisempi. Erityyppisillä ja -määrillä vioilla voi olla erilaisia vaikutuksia diffuusioprosessiin.
(4) Paine/paine
Paineen kasvaessa hiukkasten keskimääräinen etäisyys pienenee ja niiden vuorovaikutus vahvistuu. Se helpottaa hiukkasten siirtymistä korkean pitoisuuden alueilta pienipitoisuuksille, mikä lisää diffuusionopeutta.
