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Tipos desconocidos de deslizamiento de límites de grano: ¿en qué se diferencian el deslizamiento de Rachinger y el deslizamiento de Lifshitz?
El deslizamiento de los límites del grano (GBS) es un mecanismo de deformación del material en el que los granos se deslizan entre sí bajo la acción de fuerzas externas, especialmente a altas temperaturas y bajas tasas de deformación. Generalmente ocurre en materiales policristalinos. Este fenómeno está entrelazado con el proceso de fluencia, y la forma de la frontera del grano también afecta la velocidad y el alcance del deslizamiento. A altas temperaturas, el deslizamiento de los límites de los granos es un movimiento que impide la formación de grietas entre los granos. Para muchos materiales, la barbotina de Rachinger y la barbotina de Lifshitz son los dos tipos más mencionados, aunque existen diferencias obvias entre ellos.
El deslizamiento de Rachinger es principalmente un deslizamiento elástico y los granos casi conservan su forma original; mientras que el deslizamiento de Lifshitz implica un proceso de difusión, lo que hace que la forma de los granos cambie.
Comparación del deslizamiento de Rachinger y el deslizamiento de Lifshitz
Durante el proceso de fluencia a alta temperatura, el deslizamiento de Rachinger se manifiesta principalmente como el deslizamiento relativo de los granos mientras mantienen su forma original bajo la aplicación de tensión externa. Durante el proceso, la tensión interna seguirá creciendo y eventualmente alcanzará el equilibrio con la tensión aplicada externamente. Por ejemplo, cuando se aplica una tensión de tracción uniaxial, los granos se deslizan para adaptarse al estiramiento y el número de granos aumenta a lo largo de la dirección de la tensión aplicada.
Relativamente, el deslizamiento de Lifshitz es un proceso estrechamente relacionado con el deslizamiento de Nabarro-Herring y Coble. En este caso, a medida que se aplica la tensión, la difusión de las vacantes hará que los granos cambien de forma, lo que hará que se extiendan en la dirección de la tensión aplicada. Esto no aumenta el número de granos en la dirección de la tensión aplicada.
A través de estos dos mecanismos de deslizamiento, podemos observar diferentes características de deformación, que son fundamentales para comprender el comportamiento de los materiales a altas temperaturas.
Mecanismo de equilibrio y movimiento de dislocación
Cuando los granos policristalinos se deslizan entre sí, debe haber un mecanismo correspondiente para ayudar a que se produzca este deslizamiento y evitar la superposición entre los granos. Con este fin, los académicos han propuesto una variedad de mecanismos de equilibrio, incluido el movimiento de dislocación, la deformación elástica y los mecanismos de adaptación por difusión. Especialmente en condiciones superplásticas, los efectos del movimiento de dislocación y la difusión de los límites de grano son particularmente significativos.
Por ejemplo, cuando un material se encuentra a temperaturas superplásticas, las dislocaciones en el material se emitirán y absorberán rápidamente en los límites de los granos, lo que estabiliza la forma del grano y favorece el flujo del material a altas tasas de deformación.
Evidencia experimental y el impacto de los nanomateriales
Experimentalmente, el fenómeno del deslizamiento de los límites de grano se ha observado en una variedad de materiales, incluidas observaciones realizadas en 1962 en cristales gemelos de NaCl y MgO. Estos experimentos utilizan técnicas de microscopía para revelar el comportamiento de deslizamiento en los límites de los granos. La aparición de materiales nanocristalinos hace que el deslizamiento de los límites de grano ocurra con frecuencia en operaciones de alta temperatura, porque es más probable que su estructura de grano fino cause deslizamiento a temperaturas altas y bajas que los granos gruesos.
Controlar el tamaño y la forma del grano puede reducir eficazmente el grado de deslizamiento de los límites del grano, lo cual es crucial en el diseño de muchos materiales.
Investigación sobre el filamento de tungsteno
En los filamentos de tungsteno, las investigaciones han descubierto que el principal mecanismo de fallo es el deslizamiento de los límites del grano. A medida que aumenta la temperatura de funcionamiento, la difusión entre los límites de los granos puede provocar deslizamiento y, finalmente, rotura del filamento. Para prolongar la vida útil del filamento, los investigadores modificaron el tungsteno añadiendo elementos como aluminio, silicio y potasio para reducir el deslizamiento a altas temperaturas.
La conclusión es que comprender las diferencias esenciales entre el deslizamiento de Rachinger y Lifshitz es indispensable para el desarrollo de materiales de alta temperatura, especialmente en entornos extremos como las industrias aeroespacial y automotriz. Este conocimiento puede ayudar a los científicos e ingenieros a diseñar materiales más duraderos para afrontar los desafíos futuros. ¿Podemos encontrar soluciones clave a estos problemas en la exploración de la ciencia de los materiales?
