El deslizamiento de límites de grano (GBS) es un mecanismo de deformación del material en el que los granos se deslizan unos contra otros. Esto ocurre en material policristalino bajo estrés externo a alta temperatura homóloga (por encima de ~ 0,4 [1] ) y baja velocidad de deformación y se entrelaza con la fluencia . La temperatura homóloga describe la temperatura de funcionamiento en relación con la temperatura de fusión del material. Existen principalmente dos tipos de deslizamiento de límite de grano: deslizamiento Rachinger, [2] y deslizamiento Lifshitz. [3] El deslizamiento de los límites del grano generalmente ocurre como una combinación de ambos tipos de deslizamiento. La forma del límite a menudo determina la velocidad y la extensión del deslizamiento del límite de grano. [4]
Muchas personas han desarrollado estimaciones para la contribución del deslizamiento de los límites de grano a la tensión total experimentada por varios grupos de materiales, como metales, cerámicas y materiales geológicos. El deslizamiento de los límites de grano contribuye a una cantidad significativa de tensión, especialmente para materiales de grano fino y altas temperaturas. [5] Se ha demostrado que el deslizamiento del límite de grano de Lifshitz contribuye aproximadamente al 50-60% de la deformación en la fluencia por difusión de Nabarro-Herring. [6] Este mecanismo es la causa principal de falla de la cerámica a altas temperaturas debido a la formación de fases vítreas en sus límites de grano. [7]
Rachinger Deslizamiento
El deslizamiento Rachinger es puramente elástico; los granos conservan la mayor parte de su forma original. [6] La tensión interna se acumulará a medida que los granos se deslicen hasta que la tensión se equilibre con la tensión externa aplicada. Por ejemplo, cuando se aplica una tensión de tracción uniaxial a una muestra, los granos se mueven para adaptarse al alargamiento y aumenta el número de granos a lo largo de la dirección de la tensión aplicada.
Lifshitz deslizante
El deslizamiento Lifshitz solo ocurre con Nabarro-Herring y Coble creep. [6] El movimiento de deslizamiento se acomoda mediante la difusión de las vacantes de las tensiones inducidas y la forma del grano cambia durante el proceso. Por ejemplo, cuando se aplica una tensión de tracción uniaxial, la difusión se producirá dentro de los granos y la fibra se alargará en la misma dirección que la tensión aplicada. No habrá un aumento en el número de granos a lo largo de la dirección de la tensión aplicada.
Mecanismos de acomodación
Cuando los granos policristalinos se deslizan entre sí, debe haber mecanismos simultáneos que permitan que este deslizamiento ocurra sin la superposición de granos (lo que sería físicamente imposible). [9] Se han propuesto varios mecanismos de adaptación para dar cuenta de este problema.
- Movimiento de dislocación: las dislocaciones pueden moverse a través del material mediante procesos como trepar y deslizarse para permitir la compatibilidad [10]
- Distorsión elástica: cuando la distancia de deslizamiento es pequeña, los granos se pueden deformar elásticamente (ya veces de forma recuperable) para permitir la compatibilidad [4]
- Acomodación por difusión: utilizando mecanismos de fluencia por difusión, el material puede difundirse a lo largo de los límites de los granos o a través de los granos para permitir la compatibilidad [4]
Tasa de deformación por deslizamiento del límite de grano
En términos generales, la tasa de fluencia mínima para la difusión se puede expresar como: [11] [6]
Donde los términos se definen de la siguiente manera:
- = tasa de fluencia mínima
- = constante
- = coeficiente de difusión
- = Vector de hamburguesas
- = Constante de Boltzmann
- = temperatura
- = tamaño medio de grano
- = estrés
- = módulo de corte
- = exponentes que dependen del mecanismo de fluencia
En el caso de que esta tasa de fluencia mínima esté controlada por el deslizamiento del límite de grano, los exponentes se vuelven , , y el coeficiente de difusión se convierte en (el coeficiente de difusión reticular). [11] [6] Por lo tanto, la tasa de fluencia mínima se convierte en:
Evidencia experimental de deslizamiento de los límites del grano
La dispersión de los límites de los granos se ha observado experimentalmente utilizando diversas técnicas de microscopía. Fue observado por primera vez en bicristales de NaCl y MgO en 1962 por Adams y Murray. [12] Al rayar la superficie de sus muestras con una línea marcadora, pudieron observar un desplazamiento de esa línea en el límite de grano como resultado del deslizamiento de granos adyacentes entre sí. Posteriormente, esto se observó en otros sistemas, así como en aleaciones de Zn-Al mediante microscopía electrónica [13] y octacloropropano mediante técnicas in situ. [9]
Nanomateriales
Los materiales nanocristalinos, o nanomateriales, tienen granos finos que ayudan a suprimir el deslizamiento de la red. Esto es beneficioso para operaciones a temperaturas relativamente bajas, ya que impide el movimiento o la difusión de las dislocaciones debido a la gran fracción de volumen de los límites de grano. Sin embargo, los granos finos no son deseables a altas temperaturas debido a la mayor probabilidad de deslizamiento de los límites de los granos. [14]
Prevención
La forma del grano juega un papel importante en la determinación de la velocidad y extensión del deslizamiento. Por tanto, controlando el tamaño y la forma del grano, se puede limitar la cantidad de deslizamiento de los límites del grano. Generalmente, se prefieren materiales con granos más gruesos, ya que el material tendrá menos bordes de grano. Idealmente, los monocristales suprimirán completamente este mecanismo ya que la muestra no tendrá límites de grano.
Otro método consiste en reforzar los límites de los granos añadiendo precipitados. Los pequeños precipitados ubicados en los límites de los granos pueden fijar los límites de los granos y evitar que los granos se deslicen entre sí. Sin embargo, no todos los precipitados son deseables en los límites. Los precipitados grandes pueden tener el efecto opuesto sobre la fijación del límite de grano, ya que permite más espacios o espacios vacíos entre los granos para acomodar los precipitados, lo que reduce el efecto de fijación.
Aplicación: filamentos de tungsteno
La temperatura de funcionamiento de los filamentos de tungsteno utilizados en las bombillas incandescentes es de alrededor de 2000 K a 3200 K, que está cerca del punto de fusión del tungsteno (T m = 3695 K). [15] Como se espera que las bombillas funcionen durante largos períodos de tiempo a una temperatura homóloga de hasta 0,8, comprender y prevenir el mecanismo de fluencia es crucial para extender su esperanza de vida.
Los investigadores encontraron que el mecanismo predominante de falla en estos filamentos de tungsteno era el deslizamiento de los límites del grano acomodado por la fluencia por difusión. [16] Esto se debe a que los filamentos de tungsteno, al ser tan delgados como son, generalmente consisten en solo un puñado de granos alargados. De hecho, generalmente hay menos de un límite de grano por vuelta en una bobina de tungsteno. [16] Esta estructura de grano alargada generalmente se llama estructura de bambú, ya que los granos se parecen a los entrenudos de los tallos de bambú. Durante el funcionamiento, el alambre de tungsteno se somete a la carga de su propio peso y debido a la difusión que puede ocurrir a altas temperaturas, los granos comienzan a girar y deslizarse. Esta tensión, debido a las variaciones en el filamento, hace que el filamento se combe de manera no uniforme, lo que finalmente introduce un par de torsión adicional en el filamento. [16] Es esta flacidez la que inevitablemente da como resultado la ruptura del filamento, lo que inutiliza la bombilla incandescente. La vida útil típica de estos filamentos de una sola bobina es de aproximadamente 440 horas. [dieciséis]
Para combatir este deslizamiento de los límites de los granos, los investigadores comenzaron a dopar el filamento de tungsteno con aluminio, silicio y, lo que es más importante, potasio. Este material compuesto (tungsteno AKS) es único ya que está compuesto de potasio y tungsteno, que no son aleantes. [17] Esta característica del potasio da como resultado burbujas nanométricas de potasio líquido o gaseoso que se distribuyen por todo el filamento después de una fabricación adecuada. [17] Estas burbujas interactúan con todos los defectos en las dislocaciones de fijación del filamento y, lo que es más importante, en los límites de los granos. Fijar estos límites de grano, incluso a altas temperaturas, reduce drásticamente el deslizamiento de los límites de grano. Esta reducción en el deslizamiento de los límites del grano le valió a estos filamentos el título de "filamentos que no se comban", ya que ya no se arquearían por su propio peso. [17] Por lo tanto, este enfoque inicialmente contrario a la intuición para fortalecer los filamentos de tungsteno comenzó a usarse ampliamente en casi todas las bombillas incandescentes para aumentar en gran medida su vida útil.
Referencias
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