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Unbekannte Arten der Korngrenzenverschiebung: Wie unterscheiden sich Rachinger- und Lifshitz-Verschiebung?
Korngrenzengleiten (GBS) ist ein Materialverformungsmechanismus, bei dem Körner unter Einwirkung äußerer Kräfte aneinander gleiten, insbesondere bei hohen Temperaturen und niedrigen Dehnungsraten, und tritt üblicherweise bei polykristallinen Materialien auf. . Dieses Phänomen ist mit dem Kriechvorgang verknüpft, und auch die Form der Korngrenze beeinflusst die Geschwindigkeit und das Ausmaß des Gleitens. Bei hohen Temperaturen ist das Korngrenzengleiten eine Bewegung, die die Bildung von Rissen zwischen den Körnern verhindert. Bei vielen Werkstoffen sind der Rachinger-Schlicker und der Lifshitz-Schlicker die am häufigsten genannten Typen, zwischen ihnen bestehen jedoch erhebliche Unterschiede.
Beim Rachinger-Schlicker handelt es sich hauptsächlich um einen elastischen Schlicker, und die Körner behalten beinahe ihre ursprüngliche Form bei. Beim Lifshitz-Schlicker hingegen handelt es sich um einen Diffusionsprozess, der eine Veränderung der Kornform bewirkt.
Vergleich von Rachinger-Schlupf und Lifshitz-Schlupf
Beim Kriechen bei hohen Temperaturen äußert sich das Rachinger-Gleiten hauptsächlich als relatives Gleiten der Körner unter Beibehaltung ihrer ursprünglichen Form unter Einwirkung äußerer Spannung. Während dieses Prozesses steigt die innere Spannung weiter an und erreicht schließlich ein Gleichgewicht mit der von außen ausgeübten Spannung. Wenn beispielsweise eine einachsige Zugspannung angelegt wird, verschieben sich die Körner, um der Dehnung Rechnung zu tragen, und die Anzahl der Körner nimmt entlang der Richtung der angelegten Spannung zu.
Im Gegensatz dazu ist die Lifshitz-Gleitbewegung ein Prozess, der eng mit dem Nabarro-Herring- und Coble-Kriechen verwandt ist. In diesem Fall führt die Diffusion der Leerstellen bei angelegter Spannung dazu, dass die Körner ihre Form verändern und sich in Richtung der angelegten Spannung ausdehnen. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Körner entlang der Richtung der angewandten Spannung nicht.
Durch diese beiden Gleitmechanismen können wir unterschiedliche Verformungseigenschaften beobachten, was für das Verständnis des Verhaltens von Materialien bei hohen Temperaturen von entscheidender Bedeutung ist.
Gleichgewichtsmechanismus und Versetzungsbewegung
Wenn polykristalline Körner relativ zueinander gleiten, muss es einen entsprechenden Mechanismus geben, der dieses Gleiten ermöglicht und eine Überlappung zwischen den Körnern verhindert. Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler verschiedene Gleichgewichtsmechanismen vorgeschlagen, darunter Versetzungsbewegungen, elastische Verformungen und Diffusionsanpassungsmechanismen. Insbesondere unter superplastischen Bedingungen ist die Rolle der Versetzungsbewegung und der Korngrenzendiffusion besonders bedeutsam.
Wenn sich ein Material beispielsweise auf superplastischer Temperatur befindet, werden Versetzungen im Material rasch emittiert und an Korngrenzen absorbiert, was die Kornform stabilisiert und gleichzeitig den Materialfluss bei hohen Dehnungsraten unterstützt.
Experimentelle Beweise und die Auswirkungen von Nanomaterialien
Experimentell wurde das Phänomen der Korngrenzengleitung in einer Vielzahl von Materialien beobachtet, darunter im Jahr 1962 in Zwillingskristallen von NaCl und MgO. Diese Experimente enthüllten das Gleitverhalten an Korngrenzen mittels mikroskopischer Techniken. Das Aufkommen nanokristalliner Materialien führt dazu, dass es bei Hochtemperaturanwendungen häufig zu einem Gleiten an den Korngrenzen kommt, da die Feinkornstruktur im Vergleich zu groben Körnern bei hohen und niedrigen Temperaturen stärker zum Gleiten neigt.
Durch Kontrolle der Korngröße und -form kann das Ausmaß des Korngrenzengleitens wirksam verringert werden, was bei der Konstruktion vieler Materialien von entscheidender Bedeutung ist.
Studie zur Anwendung in Wolframfilamenten
Bei Wolframfilamenten stellte sich heraus, dass der Hauptversagensmechanismus das Gleiten an den Korngrenzen ist. Bei steigender Betriebstemperatur kann die Diffusion zwischen den Korngrenzen zum Schlupf und schließlich zum Bruch des Filaments führen. Um die Lebensdauer des Glühfadens zu verlängern, modifizierten die Forscher das Wolfram, indem sie es mit Elementen wie Aluminium, Silizium und Kalium dotierten, um das Rutschen bei hohen Temperaturen zu verringern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis des wesentlichen Unterschieds zwischen Rachinger- und Lifshitz-Gleitverhalten für die Entwicklung von Hochtemperaturmaterialien unabdingbar ist, insbesondere für extreme Umgebungen wie die Luft- und Raumfahrt- sowie die Automobilindustrie. Dieses Wissen kann Wissenschaftlern und Ingenieuren helfen, haltbarere Materialien zu entwickeln, um zukünftigen Herausforderungen gerecht zu werden. Können wir durch die Erforschung der Materialwissenschaften die Schlüssellösungen für diese Probleme finden?
