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Cos'è lo scorrimento dei bordi dei grani e perché è così importante alle alte temperature?
Nel campo della scienza dei materiali, lo scorrimento dei confini del grano (GBS) è un meccanismo strettamente correlato alla deformazione del materiale, soprattutto in ambienti ad alta temperatura. Quando un materiale policristallino è sottoposto a stress esterno e si trova ad una temperatura omologa elevata (approssimativamente superiore a 0,4 punto di fusione del reticolo), inizierà a verificarsi lo slittamento tra i grani, che è una risposta naturale del materiale alla deformazione. Attraverso lo scorrimento dei bordi dei grani, il materiale può prevenire le crepe causate dalla concentrazione delle tensioni tra i grani interni.
Lo scivolamento al confine del grano è solitamente intrecciato con fenomeni di scorrimento viscoso e svolge un ruolo chiave nella deformazione da stress dei materiali in ambienti ad alta temperatura.
Due tipi di barbottina
In base ai loro diversi meccanismi, lo scorrimento a bordo grano può essere principalmente suddiviso in due tipologie: lo scorrimento di Rachinger e lo scorrimento di Lifshitz. Lo scorrimento di Rachinger è una deformazione puramente elastica. I grani mantengono la maggior parte delle loro forme originali durante il processo di scorrimento e lo stress interno si accumulerà gradualmente per bilanciarsi con lo stress esterno. Lo scorrimento di Lifshitz è correlato allo scorrimento di Nabarro-Herring e Coble, che comporta la diffusione di difetti all'interno del grano e cambiamenti nella forma del grano.
Nello scorrimento di Rachinger, la sollecitazione di trazione uniassiale applicata provoca lo scivolamento dei grani lungo la direzione della sollecitazione, seguito da un aumento del numero di grani lungo la direzione della sollecitazione.
Meccanismo di adattamento e comportamento reologico
Nei materiali policristallini, lo scorrimento dei bordi dei grani richiede alcuni meccanismi coordinati per evitare la sovrapposizione tra i grani, che di solito si ottiene attraverso il movimento di dislocazione, la deformazione elastica e l'adattamento alla diffusione. In condizioni superplastiche, lo scorrimento ai bordi dei grani è accompagnato da un flusso diffusivo, che è fondamentale nel promuovere la deformazione del materiale.
Per la deformazione superplastica, la velocità di scorrimento al confine del grano e il relativo meccanismo di deformazione possono essere regolati in base alle condizioni di sollecitazione e velocità di deformazione per promuovere la deformazione e la duttilità del materiale.
Tasso di deformazione ad alta temperatura
Con l’aumento della temperatura e del tempo, lo scivolamento ai confini del grano avrà un impatto importante sul processo di scorrimento dei materiali. Sia che si tratti di metalli, ceramiche o altri materiali, misurando diverse velocità di scorrimento, gli scienziati possono stimare il contributo dello scorrimento ai bordi dei grani alla deformazione complessiva del materiale.
Evidenze sperimentali e impatto dei nanomateriali
A partire dal 1962, lo scivolamento dei bordi dei grani è stato osservato in numerosi esperimenti e i risultati hanno portato i ricercatori a riconsiderare le proprietà dei materiali nanostrutturati. I materiali nanocristallini, grazie alle loro caratteristiche di grana fine, aiutano a ridurre gli effetti di scorrimento in condizioni normali, ma possono diventare svantaggiosi a causa dello scivolamento dei bordi dei grani in ambienti ad alta temperatura.
Misure preventive e applicazioni
Il controllo della dimensione e della forma dei grani è una strategia importante per ridurre lo scivolamento ai confini dei grani. I materiali a grana grossa spesso ritardano l'inizio dello scorrimento, mentre i cristalli singoli possono addirittura sopprimere completamente questo fenomeno. Inoltre, aggiungendo piccoli precipitati ai bordi dei grani, è possibile rafforzarli efficacemente e ridurre lo scivolamento non necessario.
L'effetto di simulazione dell'acciaio
L'applicazione dell'acciaio altoresistenziale è onnipresente nel mondo dell'ingegneria e gli studi di simulazione di questo tipo di materiale sono cruciali per la costruzione vera e propria. Inserendo parametri quali modulo elastico, carico di snervamento e temperatura, è possibile prevedere il periodo e il comportamento dell'acciaio durante la deformazione, in particolare le prestazioni di resistenza allo scorrimento al confine del grano ad alte temperature.
Casi applicativi del filo di titanio
La temperatura operativa del filamento di tungsteno utilizzato nelle lampadine può raggiungere dai 2000 K ai 3200 K. Comprendere e prevenire il meccanismo di scorrimento è fondamentale per prolungarne la durata. Lo studio ha rilevato che lo scivolamento nel filo di tungsteno è dovuto principalmente alla diffusività del flusso ai bordi dei grani. Migliorando il rivestimento, ad esempio germanio o una miscela di germanio sodio-potassio, questo scorrimento al contorno del grano può essere significativamente ridotto, prolungando così la durata del filo di tungsteno a oltre 440 ore.
Con una comprensione più approfondita dello scivolamento al confine del grano, non possiamo fare a meno di chiederci: come possiamo sfruttare ulteriormente questo meccanismo per migliorare ed estendere la durata di servizio dei materiali ad alte prestazioni in futuro?
