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Tipos desconhecidos de deslizamento de contorno de grãos: como o deslizamento de Rachinger e o deslizamento de Lifshitz diferem?
O deslizamento do limite de grãos (GBS) é um mecanismo de deformação de material no qual os grãos deslizam uns contra os outros sob a ação de forças externas, especialmente em altas temperaturas e baixas taxas de deformação. Este fenômeno está interligado com o processo de fluência, e a forma do contorno do grão também afeta a velocidade e a extensão do escorregamento. Em altas temperaturas, o deslizamento dos limites dos grãos é um movimento que evita a formação de fissuras entre os grãos. Para muitos materiais, a deslizamento Rachinger e a deslizamento Lifshitz são os dois tipos mais comumente mencionados, no entanto, existem diferenças óbvias entre eles.
O deslizamento de Rachinger é principalmente elástico e os grãos quase mantêm sua forma original, enquanto o deslizamento de Lifshitz envolve um processo de difusão, fazendo com que a forma dos grãos mude;
Comparação entre deslizamento de Rachinger e deslizamento de Lifshitz
Durante o processo de fluência em alta temperatura, o deslizamento de Rachinger se manifesta principalmente como o deslizamento relativo dos grãos, mantendo sua forma original sob a aplicação de tensão externa. Durante o processo, a tensão interna continuará a crescer e eventualmente atingirá o equilíbrio com a tensão aplicada externamente. Por exemplo, quando uma tensão de tração uniaxial é aplicada, os grãos deslizam para acomodar o estiramento e o número de grãos aumenta ao longo da direção da tensão aplicada.
Relativamente, o deslizamento de Lifshitz é um processo intimamente relacionado ao deslizamento de Nabarro-Herring e Coble. Neste caso, à medida que a tensão é aplicada, a difusão das lacunas fará com que os grãos mudem de forma, fazendo com que se estendam na direção da tensão aplicada. Isto não aumenta o número de grãos ao longo da direção da tensão aplicada.
Através desses dois mecanismos de deslizamento, podemos observar diferentes características de deformação, que são fundamentais para a compreensão do comportamento dos materiais em altas temperaturas.
Mecanismo de equilíbrio e movimento de deslocamento
Quando os grãos policristalinos deslizam uns em relação aos outros, deve haver um mecanismo correspondente para ajudar a ocorrer esse deslizamento e evitar a sobreposição entre os grãos. Para este fim, os estudiosos propuseram uma variedade de mecanismos de equilíbrio, incluindo movimento de deslocamento, deformação elástica e mecanismos de adaptação à difusão. Especialmente sob condições superplásticas, os efeitos do movimento das discordâncias e da difusão dos limites dos grãos são particularmente significativos.
Por exemplo, quando um material está em temperaturas superplásticas, as discordâncias no material serão rapidamente emitidas e absorvidas nos limites dos grãos, o que estabiliza o formato do grão e suporta o fluxo do material em altas taxas de deformação.
Evidências experimentais e o impacto dos nanomateriais
Experimentalmente, o fenômeno do deslizamento dos limites dos grãos foi observado em uma variedade de materiais, incluindo observações em 1962 em cristais gêmeos de NaCl e MgO. Esses experimentos usam técnicas de microscopia para revelar o comportamento de deslizamento nos limites dos grãos. O surgimento de materiais nanocristalinos faz com que o deslizamento dos limites dos grãos ocorra frequentemente em operações de alta temperatura, porque sua estrutura de grãos finos tem maior probabilidade de causar deslizamento em altas e baixas temperaturas do que os grãos grossos.
Controlar o tamanho e a forma dos grãos pode efetivamente reduzir o grau de deslizamento dos limites dos grãos, o que é crucial no projeto de muitos materiais.
Pesquisa sobre filamento de tungstênio
Em filamentos de tungstênio, pesquisas descobriram que o principal mecanismo de falha é o deslizamento dos limites dos grãos. À medida que a temperatura operacional aumenta, a difusão entre os limites dos grãos pode levar ao deslizamento e, eventualmente, à quebra do filamento. Para prolongar a vida útil do filamento, os pesquisadores modificaram o tungstênio adicionando elementos como alumínio, silício e potássio para reduzir o deslizamento em altas temperaturas.
A conclusão é que compreender as diferenças essenciais entre o deslizamento de Rachinger e Lifshitz é indispensável para o desenvolvimento de materiais de alta temperatura, especialmente em ambientes extremos, como as indústrias aeroespacial e automotiva. Esse conhecimento pode ajudar cientistas e engenheiros a projetar materiais mais duráveis para enfrentar os desafios futuros. Podemos encontrar soluções-chave para estes problemas na exploração da ciência dos materiais?
