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Warum bestimmt die Form der Korngrenzen die Festigkeit des Materials? Was ist das Geheimnis dahinter?
Auf dem Gebiet der Materialwissenschaften kann uns die Untersuchung der Korngrenzenform und ihres Gleitverhaltens helfen, den Schlüssel zur Materialfestigkeit zu finden. Korngrenzen sind die Grenzen zwischen verschiedenen Körnern in polykristallinen Materialien, und die Form dieser Grenzen beeinflusst nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Materials, sondern bestimmt auch das Verformungsverhalten des Materials in einer Hochtemperaturumgebung.
Korngrenzengleiten (GBS) ist einer der Hauptmechanismen der Materialverformung; insbesondere bei hohen Temperaturen tritt dieses Phänomen häufiger auf.
Bei Einwirkung äußerer Spannungen können die Körner beginnen, aneinander zu gleiten. Dieses Verhalten tritt bei hohen Temperaturen und geringen Dehnungsraten auf. Die Studie ergab, dass es zwei Hauptformen der Korngrenzengleitung gibt, nämlich die Rachinger-Gleitung und die Lifshitz-Gleitung, und dass die Anordnung und Form im Wesentlichen die Geschwindigkeit dieser Gleitvorgänge bestimmen.
Beim Kriechen bei hohen Temperaturen ist das Gleiten an den Korngrenzen fast immer mit Gitterdiffusion verbunden. Wenn die Korngrenzen eine wellenförmige Morphologie aufweisen, kann ihre Form durch eine Sinuskurve simuliert werden. Das Verhältnis der Wellenlänge zur Amplitude des Korns (λ/h) hat einen erheblichen Einfluss auf die Kriechgeschwindigkeit. Wenn dieses Verhältnis zunimmt, erhöht sich die Gleitgeschwindigkeit, und die Korngrenzendiffusion kann diesen Prozess fördern.
Ein hohes λ/h-Verhältnis kann den Diffusionsfluss behindern und letztendlich zur Bildung von Hohlräumen und zum Ausbruch von Materialbrüchen führen.
Untersuchungen unterschiedlicher Materialien haben gezeigt, dass das Gleiten an Korngrenzen insbesondere bei feinkörnigen Werkstoffen eine wichtige Rolle spielt. Es wurde nachgewiesen, dass das Lifshitz-Gleiten etwa 50–60 % zur Verformungsspannung beim Nabarro-Herring-Diffusionskriechen beiträgt. Dies zeigt auch, dass Korngrenzen nicht nur die Schwäche des Materials darstellen, sondern in gewissem Maße auch die Quelle seiner Stärke sind.
Aus der Perspektive verschiedener Formen des Korngrenzengleitens ist das Rachinger-Gleiten eine elastische Verformung, und die Körner behalten größtenteils ihre ursprüngliche Form. Wenn jedoch einachsige Spannung angewendet wird, sind die Bindungen zwischen den Körnern relativ, sodass sich die Körner entlang der Spannungsrichtung neu anordnen können. Beim Lifshitz-Gleiten hingegen handelt es sich um Diffusionsprozesse, das heißt, bei Belastung verändert sich die Form der Körner, was zu einem völlig anderen Deformationsverhalten führt.
Daher ist die Untersuchung der Korngrenzengleitung und der damit verbundenen Mechanismen ein wichtiges Thema der Materialwissenschaften. Mit steigender Temperatur laufen viele komplexe Prozesse gleichzeitig ab und die Beziehung zwischen Korngrenzengleiten und anderen Verformungsmechanismen wie Versetzungsbewegung und Diffusion wird zunehmend interessanter.
Mithilfe einiger experimenteller Methoden können wir den Beitrag des Korngrenzengleitens zur Gesamtverformung abschätzen, was für die Festigkeitsauslegung von Strukturmaterialien von großer Bedeutung ist.
In der superplastischen Deformationstechnik wird häufig der Mechanismus des Gleitens über Korngrenzen genutzt. Darüber hinaus führt das Gleiten von Korngrenzen bei verschiedenen Metall- und Keramikmaterialien auch zu unterschiedlich ausgeprägten mikrostrukturellen Veränderungen und destruktivem Verhalten. Zukünftige Forschungen könnten möglicherweise die grundlegenden Prinzipien der Korngrenzenform und ihren entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Materialien weiter enthüllen und eine zuverlässigere theoretische Grundlage für die Materialgestaltung bieten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einfluss der Korngrenzenform und ihres Gleitverhaltens eine wichtige Rolle für die Festigkeit des Materials spielt, was zu einer wichtigen Frage führt, über die es nachzudenken gilt: Wie können wir dieses Phänomen bei der zukünftigen Materialentwicklung effektiver nutzen, um die Leistung und Lebensdauer des Materials zu verbessern?
