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Tipo sconosciuto di bordo grano: qual è la differenza tra Rachinger e Lifshitz?
Lo scorrimento dei bordi dei grani (GBS) è un meccanismo di deformazione del materiale in cui i grani scivolano l'uno contro l'altro sotto l'azione di forze esterne, soprattutto ad alte temperature e basse velocità di deformazione, e si verifica solitamente nei materiali policristallini. Questo fenomeno è interconnesso con il processo di scorrimento e anche la forma del bordo del grano influenza la velocità e l'entità dello scorrimento. Ad alte temperature, lo scorrimento dei bordi dei grani è un movimento che impedisce la formazione di crepe tra i grani. Per molti materiali, la barbottina Rachinger e la barbottina Lifshitz sono i due tipi più comunemente menzionati, ma tra loro esistono differenze significative.
Lo scorrimento di Rachinger è prevalentemente elastico e i grani mantengono quasi la loro forma originale; mentre lo scorrimento di Lifshitz coinvolge processi di diffusione, che determinano cambiamenti nella forma dei grani.
Confronto tra lo slip di Rachinger e lo slip di Lifshitz
Durante lo scorrimento viscoelastico ad alta temperatura, lo scorrimento di Rachinger si manifesta principalmente come lo scorrimento relativo dei grani, che mantengono la loro forma originale sotto l'applicazione di sollecitazioni esterne. Durante questo processo, lo stress interno continuerà a crescere e alla fine raggiungerà l'equilibrio con lo stress applicato esternamente. Ad esempio, quando viene applicata una sollecitazione di trazione monoassiale, i grani scivolano per adattarsi all'allungamento e il numero di grani aumenta lungo la direzione della sollecitazione applicata.
Al contrario, lo slittamento di Lifshitz è un processo strettamente correlato allo slittamento di Nabarro-Hering e Coble. In questo caso, quando viene applicato lo stress, la diffusione delle vacanze causerà una modifica della forma dei grani, che si estenderanno lungo la direzione dello stress applicato. Ciò non aumenta il numero di grani lungo la direzione dello stress applicato.
Attraverso questi due meccanismi di slittamento possiamo osservare diverse caratteristiche di deformazione, il che è fondamentale per comprendere il comportamento dei materiali ad alte temperature.
Meccanismo di equilibrio e moto di dislocazione
Quando i grani policristallini scivolano l'uno rispetto all'altro, deve esserci un meccanismo corrispondente che favorisca questo slittamento ed eviti la sovrapposizione tra i grani. A tal fine, gli studiosi hanno proposto una serie di meccanismi di equilibrio, tra cui il movimento di dislocazione, la deformazione elastica e il meccanismo di adattamento alla diffusione. Soprattutto in condizioni superplastiche, il ruolo del movimento di dislocazione e della diffusione ai bordi dei grani è particolarmente significativo.
Ad esempio, quando un materiale si trova a una temperatura superplastica, le dislocazioni nel materiale vengono rapidamente emesse e assorbite ai bordi dei grani, il che stabilizza la forma dei grani e supporta il flusso del materiale a velocità di deformazione elevate.
Prove sperimentali e l'impatto dei nanomateriali
Sperimentalmente, il fenomeno dello scorrimento dei bordi dei grani è stato osservato in una varietà di materiali, comprese le osservazioni nei cristalli gemelli di NaCl e MgO nel 1962. Questi esperimenti hanno rivelato il comportamento di scorrimento ai bordi dei grani utilizzando tecniche microscopiche. L'avvento dei materiali nanocristallini fa sì che durante le operazioni ad alta temperatura si verifichi frequentemente lo scorrimento dei bordi dei grani, poiché la loro struttura a grana fine è più incline a scivolare ad alte e basse temperature rispetto ai grani grossolani.
Il controllo della forma e delle dimensioni dei grani può ridurre efficacemente il grado di scorrimento dei bordi dei grani, un aspetto fondamentale nella progettazione di molti materiali.
Studio sull'applicazione nel filamento di tungsteno
Nei filamenti di tungsteno, il principale meccanismo di rottura è stato individuato nello scorrimento dei bordi dei grani. Con l'aumentare della temperatura di esercizio, la diffusione tra i bordi dei grani può causare slittamenti e infine la rottura del filamento. Per prolungare la durata del filamento, i ricercatori hanno modificato il tungsteno drogandolo con elementi quali alluminio, silicio e potassio per ridurre lo slittamento ad alte temperature.
In conclusione, comprendere la differenza essenziale tra la barbottina di Rachinger e quella di Lifshitz è indispensabile per lo sviluppo di materiali ad alta temperatura, soprattutto per ambienti estremi come l'industria aerospaziale e automobilistica. Questa conoscenza può aiutare scienziati e ingegneri a progettare materiali più durevoli per affrontare le sfide future. Possiamo trovare le soluzioni chiave a questi problemi attraverso l'esplorazione della scienza dei materiali?
