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Pourquoi la forme des joints de grains détermine-t-elle la résistance du matériau ? Quel est le secret derrière cela ?
Dans le domaine de la science des matériaux, l’étude de la forme des joints de grains et de leur comportement de glissement peut nous aider à découvrir la clé de la résistance des matériaux. Les joints de grains sont les limites entre les différents grains des matériaux polycristallins, et la forme de ces limites affecte non seulement les propriétés mécaniques du matériau, mais détermine également le comportement de déformation du matériau dans un environnement à haute température.
Le glissement des joints de grains (GBS) est l'un des principaux mécanismes de déformation des matériaux, en particulier à haute température, ce phénomène est plus courant.
Sous l'effet des contraintes externes, les grains peuvent commencer à glisser les uns contre les autres, un comportement qui se produit à des températures élevées et à de faibles taux de déformation. L’étude a révélé que les deux principales formes de glissement des joints de grains comprennent le glissement de Rachinger et le glissement de Lifshitz, et que la disposition et la forme déterminent essentiellement les taux de ces glissements.
Lors du fluage à haute température, le glissement des joints de grains est presque toujours associé à une diffusion du réseau. Lorsque les joints de grains présentent une morphologie ondulée, leur forme peut être simulée par une courbe sinusoïdale. Le rapport entre la longueur d'onde et l'amplitude du grain (λ/h) a un effet significatif sur la vitesse de fluage. Lorsque ce rapport augmente, la vitesse de glissement augmente et la diffusion aux joints de grains peut favoriser ce processus.
Un rapport λ/h élevé peut entraver le flux de diffusion, conduisant éventuellement à la formation de vides et initiant une fracture du matériau.
Dans les études sur différents matériaux, le glissement des joints de grains s'est avéré particulièrement important pour les matériaux à grains fins. Il a été démontré que le glissement de Lifshitz contribue à environ 50 à 60 % de la contrainte de déformation lors du fluage par diffusion de Nabarro-Herring. Cela montre également que les joints de grains ne sont pas seulement la faiblesse du matériau, mais dans une certaine mesure, ils sont également la source de sa résistance.
Du point de vue des différentes formes de glissement des joints de grains, le glissement de Rachinger est une déformation élastique et les grains conservent en grande partie leur forme d'origine. Cependant, lorsqu'une contrainte uniaxiale est appliquée, les liaisons entre les grains seront relatives, ce qui permettra aux grains de se réorganiser le long de la direction de la contrainte. Le glissement de Lifshitz, en revanche, repose sur des processus de diffusion, ce qui signifie que lorsqu'une contrainte est appliquée, la forme des grains change, conduisant à un comportement de déformation complètement différent.
Cela fait de l’étude du glissement des joints de grains et de ses mécanismes associés un sujet important en science des matériaux. À mesure que la température augmente, de nombreux processus complexes se produisent simultanément et la relation entre le glissement des joints de grains et d’autres mécanismes de déformation tels que le mouvement de dislocation et la diffusion devient de plus en plus intéressante.
Nous pouvons utiliser certaines méthodes expérimentales pour estimer la contribution du glissement des joints de grains à la déformation totale, ce qui est d'une grande importance dans la conception de la résistance des matériaux de structure.
Dans la technologie de déformation superplastique, le mécanisme de glissement via les joints de grains est fréquemment utilisé. De plus, dans différents matériaux métalliques et céramiques, le glissement des joints de grains conduit également à différents degrés de changements microstructuraux et de comportements destructeurs. Les recherches futures pourraient révéler davantage les principes sous-jacents de la forme des joints de grains et son influence décisive sur les propriétés mécaniques des matériaux, et fournir une base théorique plus fiable pour la conception des matériaux.
En résumé, l'influence de la forme des joints de grains et de leur comportement de glissement joue un rôle important dans la résistance du matériau, ce qui conduit à une question importante à laquelle il faut réfléchir : dans la conception future des matériaux, comment pouvons-nous utiliser plus efficacement ce phénomène pour améliorer les performances et la durée de vie du matériau ?
