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Perché la forma dei bordi dei grani determina la resistenza del materiale? Qual è il segreto dietro questo?
Nel campo della scienza dei materiali, la discussione sulle forme dei bordi dei grani e sul loro comportamento di scorrimento può svelare la chiave per la resistenza dei materiali. I confini dei grani sono i confini tra i diversi grani nei materiali policristallini e la forma di questi confini non solo influenza le proprietà meccaniche del materiale, ma determina anche il comportamento di deformazione del materiale in ambienti ad alta temperatura.
Il Grain Boundary Sliding (GBS) è uno dei principali meccanismi di deformazione dei materiali, soprattutto alle alte temperature, questo fenomeno è più comune.
Quando agiscono le sollecitazioni esterne, i grani possono iniziare a scivolare l'uno contro l'altro, un comportamento che si verifica a temperature elevate e basse velocità di deformazione. Lo studio ha rilevato che le due principali forme di scorrimento dei bordi dei grani includono lo scorrimento di Rachinger e lo scorrimento di Lifshitz, e la disposizione e la forma determinano essenzialmente la velocità di questi scivolamenti.
Durante i processi di creep ad alta temperatura, lo scorrimento dei bordi del grano è quasi sempre correlato alla diffusione del reticolo. Quando il bordo grano assume una forma ondulata, la sua forma può essere simulata da una curva sinusoidale. Il rapporto tra la lunghezza d'onda e l'ampiezza dei grani (λ/h) ha un impatto significativo sulla velocità di scorrimento. Quando questo rapporto aumenta, aumenta la velocità di scorrimento e la diffusione dei bordi dei grani può favorire questo processo.
Un rapporto elevato di λ/h può impedire il verificarsi del flusso di diffusione, portando infine alla formazione di vuoti e alla frattura del materiale.
Negli studi su diversi materiali, lo scorrimento dei bordi dei grani si è dimostrato particolarmente importante per i materiali a grana fine. Si scopre che lo scorrimento di Lifshitz contribuisce per circa il 50-60% alla deformazione deformativa durante lo scorrimento diffusivo di Nabarro-Herring. Ciò dimostra anche che i bordi dei grani non sono solo il punto debole di un materiale ma, in una certa misura, sono anche la fonte della sua forza.
A giudicare dalle diverse forme di scorrimento dei bordi dei grani, lo scorrimento di Rachinger è una deformazione elastica e la maggior parte dei grani mantiene la loro forma originale. Tuttavia, quando viene applicata una sollecitazione uniassiale, i legami tra i grani si fronteggiano, consentendo ai grani di riorganizzarsi lungo la direzione della sollecitazione. Lo scorrimento di Lifshitz si basa sul processo di diffusione, ovvero, quando viene applicata la sollecitazione, la forma dei grani cambierà di conseguenza, portando alla fine a comportamenti di deformazione completamente diversi.
Ciò rende lo studio dello scorrimento dei bordi dei grani e dei meccanismi correlati un argomento importante nella scienza dei materiali. All’aumentare della temperatura, si verificano simultaneamente molti processi complessi e la relazione tra lo scorrimento dei bordi dei grani e altri meccanismi di deformazione come il movimento delle dislocazioni e la diffusione ha attirato crescente attenzione.
Possiamo utilizzare alcuni metodi sperimentali per stimare il contributo dello scorrimento dei bordi dei grani alla deformazione totale, che è di grande importanza nella progettazione della resistenza dei materiali strutturali.
Nella tecnologia della deformazione superplastica, viene spesso utilizzato il meccanismo di scorrimento attraverso i bordi dei grani. Inoltre, in diversi materiali metallici e ceramici, lo scorrimento dei bordi dei grani porta anche a diversi gradi di cambiamenti microstrutturali e comportamenti di danneggiamento. La ricerca futura potrebbe rivelare ulteriormente i principi alla base della forma dei bordi dei grani e la sua influenza decisiva sulle proprietà meccaniche dei materiali, e fornire una base teorica più affidabile per la progettazione dei materiali.
Per riassumere, l'influenza della forma del bordo grano e il suo comportamento di scorrimento svolgono un ruolo importante nella resistenza del materiale. Ciò porta a una domanda importante: nella progettazione futura dei materiali, come possiamo utilizzare questo fenomeno in modo più efficace per migliorare le prestazioni e la durata del materiale?
