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Types inconnus de glissements aux joints de grains : en quoi les glissements de Rachinger et de Lifshitz diffèrent-ils ?
Le glissement des joints de grains (GBS) est un mécanisme de déformation des matériaux dans lequel les grains glissent les uns contre les autres sous l'action de forces externes, en particulier à des températures élevées et à de faibles taux de déformation, et se produit généralement dans les matériaux polycristallins. Ce phénomène est étroitement lié au processus de fluage, et la forme du joint de grain affecte également la vitesse et l'étendue du glissement. À haute température, le glissement des joints de grains est un mouvement qui empêche la formation de fissures entre les grains. Pour de nombreux matériaux, les glissements de Rachinger et de Lifshitz sont les deux types les plus fréquemment mentionnés, mais il existe des différences significatives entre eux.
Le glissement de Rachinger est principalement un glissement élastique et les grains conservent presque leur forme d'origine ; tandis que le glissement de Lifshitz implique un processus de diffusion, qui provoque un changement de forme des grains.
Comparaison du glissement de Rachinger et du glissement de Lifshitz
Lors du fluage à haute température, le glissement de Rachinger se manifeste principalement par le glissement relatif des grains tout en conservant leur forme d'origine sous l'application d'une contrainte externe. Au cours de ce processus, la contrainte interne continuera de croître et finira par atteindre l’équilibre avec la contrainte appliquée de l’extérieur. Par exemple, lorsqu’une contrainte de traction uniaxiale est appliquée, les grains glissent pour s’adapter à l’étirement et le nombre de grains augmente dans la direction de la contrainte appliquée.
En revanche, le glissement de Lifshitz est un processus étroitement lié au fluage de Nabarro-Herring et de Coble. Dans ce cas, à mesure que la contrainte est appliquée, la diffusion des lacunes provoquera un changement de forme des grains, les obligeant à s'étendre dans la direction de la contrainte appliquée. Cela n’augmente pas le nombre de grains dans la direction de la contrainte appliquée.
Grâce à ces deux mécanismes de glissement, nous pouvons observer différentes caractéristiques de déformation, ce qui est crucial pour comprendre le comportement des matériaux à haute température.
Mécanisme d'équilibre et mouvement de dislocation
Lorsque les grains polycristallins glissent les uns par rapport aux autres, il doit y avoir un mécanisme correspondant pour aider ce glissement à se produire et éviter le chevauchement entre les grains. À cette fin, les chercheurs ont proposé une variété de mécanismes d’équilibre, notamment le mouvement de dislocation, la déformation élastique et le mécanisme d’adaptation par diffusion. En particulier dans des conditions superplastiques, le rôle du mouvement des dislocations et de la diffusion aux joints de grains est particulièrement important.
Par exemple, lorsqu'un matériau est à une température superplastique, les dislocations dans le matériau sont rapidement émises et absorbées aux joints de grains, ce qui stabilise la forme des grains tout en soutenant l'écoulement du matériau à des taux de déformation élevés.
Preuves expérimentales et impact des nanomatériaux
Expérimentalement, le phénomène de glissement des joints de grains a été observé dans une variété de matériaux, y compris des observations dans des cristaux jumeaux de NaCl et de MgO en 1962. Ces expériences ont révélé le comportement de glissement aux joints de grains à l'aide de techniques microscopiques. L'émergence des matériaux nanocristallins entraîne un glissement fréquent des joints de grains lors des opérations à haute température, car leur structure à grains fins est plus sujette au glissement à haute et basse température par rapport aux grains grossiers.
Le contrôle de la taille et de la forme des grains peut réduire efficacement le degré de glissement des joints de grains, ce qui est crucial dans la conception de nombreux matériaux.
Etude d'application dans le filament de tungstène
Dans les filaments de tungstène, le principal mécanisme de défaillance s'est avéré être le glissement des joints de grains. À mesure que la température de fonctionnement augmente, la diffusion entre les joints de grains peut entraîner un glissement et éventuellement une rupture du filament. Afin de prolonger la durée de vie du filament, les chercheurs ont modifié le tungstène en le dopant avec des éléments tels que l'aluminium, le silicium et le potassium pour réduire le glissement à haute température.
En conclusion, comprendre la différence essentielle entre le glissement de Rachinger et celui de Lifshitz est indispensable pour le développement de matériaux à haute température, en particulier pour les environnements extrêmes tels que les industries aérospatiale et automobile. Ces connaissances peuvent aider les scientifiques et les ingénieurs à concevoir des matériaux plus durables pour relever les défis futurs. Pouvons-nous trouver des solutions clés à ces problèmes grâce à l’exploration de la science des matériaux ?
