El deslizamiento de los límites de grano (GBS) es un mecanismo de deformación de los materiales en el que los granos se deslizan unos contra otros. Esto ocurre en materiales policristalinos sometidos a una tensión externa a una temperatura homóloga alta (superior a ~0,4 [1] ) y una tasa de deformación baja y está entrelazado con la fluencia . La temperatura homóloga describe la temperatura de funcionamiento relativa a la temperatura de fusión del material. Existen principalmente dos tipos de deslizamiento de los límites de grano: deslizamiento de Rachinger [2] y deslizamiento de Lifshitz [3] . El deslizamiento de los límites de grano suele producirse como una combinación de ambos tipos de deslizamiento. La forma de los límites suele determinar la tasa y la extensión del deslizamiento de los límites de grano [4] .
El deslizamiento de los límites de grano es un movimiento que se realiza para evitar la formación de grietas intergranulares. Hay que tener en cuenta que a altas temperaturas, muchos procesos están en marcha, y el deslizamiento de los límites de grano es solo uno de los procesos que se producen. Por lo tanto, no es sorprendente que la fluencia de Nabarro Herring y Coble dependa del deslizamiento de los límites de grano. Durante la fluencia a alta temperatura, a menudo se observan límites de grano ondulados. Podemos simular este tipo de límite con una curva sinusoidal, con amplitud h y longitud de onda λ. La tasa de fluencia en estado estacionario aumenta con el aumento de las relaciones λ/h. A altas λ y altas temperaturas homólogas, el deslizamiento de los límites de grano está controlado por la difusión reticular (mecanismo de Nabarro-Herring). Por otro lado, estará controlado por la difusión de los límites de grano (fluencia de Coble). Además, cuando las relaciones λ/h son altas, puede impedir el flujo difusional, por lo tanto, pueden formarse huecos difusionales, lo que conduce a la fractura en la fluencia. [5] [6]
Muchas personas han desarrollado estimaciones para la contribución del deslizamiento de los límites de grano a la deformación total experimentada por varios grupos de materiales, como metales, cerámicas y materiales geológicos. El deslizamiento de los límites de grano contribuye con una cantidad significativa de deformación, especialmente para materiales de grano fino y altas temperaturas. [1] Se ha demostrado que el deslizamiento de los límites de grano de Lifshitz contribuye con alrededor del 50-60% de la deformación en la fluencia por difusión de Nabarro-Herring. [7] Este mecanismo es la causa principal de falla de cerámica a altas temperaturas debido a la formación de fases vítreas en sus límites de grano. [8]
El deslizamiento de Rachinger es puramente elástico; los granos conservan la mayor parte de su forma original. [7] La tensión interna se acumulará a medida que los granos se deslicen hasta que se equilibre con la tensión externa aplicada. Por ejemplo, cuando se aplica una tensión de tracción uniaxial sobre una muestra, los granos se mueven para adaptarse al alargamiento y aumenta la cantidad de granos a lo largo de la dirección de la tensión aplicada.
El deslizamiento de Lifshitz solo ocurre con la fluencia de Nabarro-Herring y Coble. [7] El movimiento de deslizamiento se adapta a la difusión de vacantes de tensiones inducidas y la forma del grano cambia durante el proceso. Por ejemplo, cuando se aplica una tensión de tracción uniaxial, se producirá difusión dentro de los granos y el grano 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.
Cuando los granos policristalinos se deslizan unos respecto de otros, deben existir mecanismos simultáneos que permitan que este deslizamiento ocurra sin la superposición de los granos (lo que sería físicamente imposible). [10] Se han propuesto varios mecanismos de acomodación para explicar este problema.
Deslizamiento del límite de grano adaptado al flujo difusional:
El deslizamiento de los límites de grano que se produce por flujo difusional se produce por cambio de grano, pero conservando la forma del grano. Este tipo de mecanismo es sinónimo de fluencia de Nabarro Herring y Coble, pero describe el grano en condiciones superplásticas. Este concepto fue propuesto originalmente por Ashby y Verral. Durante el cambio de grano, podemos describir el proceso a través de tres pasos: a) Estado inicial b) Etapa intermedia c) Estado final. Durante la etapa intermedia, primero debe aplicarse una tensión que supere la tensión "umbral" para que haya un aumento en el área del límite de grano que es proporcionada por el flujo difusional que se produce una vez que se alcanza la tensión umbral. Suponiendo que la tensión aplicada es mucho mayor que la tensión umbral, la tasa de deformación es mayor que la fluencia difusional convencional. La razón de esto es que para la difusión por cambio de grano, la distancia es aproximadamente 1/7 de la distancia de la fluencia difusional y hay dos caminos más para el cambio de grano en comparación con la fluencia difusional. Por lo tanto, esto conducirá a una tasa de deformación aproximadamente un orden de magnitud mayor que la fluencia difusional.
Deslizamiento del límite de grano adaptado al flujo de dislocación:
En condiciones de tensión, velocidad de deformación y temperatura superplásticas, las dislocaciones se observan realmente porque se emiten y absorben rápidamente en los límites de grano. Sin embargo, se han realizado estudios cuidadosos para verificar que las dislocaciones se emiten de hecho durante la deformación superplástica. Durante el flujo de dislocaciones, se debe garantizar que la forma del grano no cambie. Según los modelos de superplasticidad, la transición del deslizamiento de dislocaciones a la superplasticidad ocurre cuando el tamaño del subgrano es menor que el tamaño del grano. El tamaño del subgrano, a menudo denotado como d', se puede describir en la siguiente ecuación:
d'/b = 10G/𝜏, donde tiene una relación inversa con el esfuerzo cortante. [12]
En términos generales, la tasa mínima de fluencia para la difusión se puede expresar como: [13] [7]
donde los términos se definen de la siguiente manera:
En el caso en que esta tasa mínima de fluencia está controlada por el deslizamiento del límite de grano, los exponentes se convierten en , , y el coeficiente de difusión se convierte en (el coeficiente de difusión reticular). [13] [7] Por lo tanto, la tasa mínima de fluencia se convierte en:
La deformación total en condiciones de fluencia se puede denotar como εt, donde:
ε t = ε g + ε gbs + ε dc
ε g = Deformación asociada a procesos de dislocación intragranular
ε gbs = Deformación debida a Rachinger GBS asociada con deslizamiento intragranular
ε dc = Deformación debida a la GBS de Lifshitz asociada con la fluencia por difusión
En la práctica, los experimentos normalmente se realizan en condiciones donde la fluencia es despreciable, por lo tanto, la ecuación 1 se reducirá a:
ε t = ε g + ε gbs
Por lo tanto, la contribución del SGB a la tensión total se puede denotar como:
Ⲝ = ε gbs / ε t
Primero, necesitamos ilustrar los tres vectores de desplazamiento perpendiculares: u, v y w, con un vector de deslizamiento de límite de grano: s. Puede imaginarse como el vector de desplazamiento w que sale del plano, mientras que los vectores v y u están en el plano. El vector de desplazamiento u es también la dirección de la tensión de tracción. La contribución del deslizamiento puede estimarse mediante mediciones individuales de εgbs a través de estos vectores de desplazamiento. Podemos definir además el ángulo en el plano uv de los desplazamientos como Ѱ, y el ángulo entre los planos uw como Θ. u puede entonces relacionarse mediante las tangentes de estos ángulos a través de la ecuación:
U = vtan Ѱ + wtanΘ
Una forma común y más sencilla en la práctica es utilizar interferometría para medir franjas a lo largo del eje de desplazamiento v. La deformación por deslizamiento se obtiene entonces mediante:
εgbs = k''nr vr
Donde k'' es constante, nr es el número de mediciones y vr es el promedio de n mediciones.
De esta manera podemos calcular el porcentaje de cepa GBS. [14]
La dispersión de los límites de grano se ha observado experimentalmente utilizando diversas técnicas de microscopía. Fue observada por primera vez en bicristales de NaCl y MgO en 1962 por Adams y Murray. [15] 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 los granos adyacentes entre sí. Posteriormente, esto se observó también en otros sistemas, incluidas las aleaciones de Zn-Al mediante microscopía electrónica, [16] y el octacloropropano mediante técnicas in situ. [10]
Los materiales nanocristalinos, o nanomateriales, tienen granos finos que ayudan a suprimir el deslizamiento reticular. Esto es beneficioso para operaciones a temperaturas relativamente bajas, ya que impide el movimiento o la difusión de dislocaciones debido a la alta 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 grano. [17]
La forma del grano juega un papel importante en la determinación de la velocidad y la extensión del deslizamiento. Por lo tanto, al controlar el tamaño y la forma del grano, se puede limitar la cantidad de deslizamiento de los límites de grano. En general, se prefieren los materiales con granos más gruesos, ya que el material tendrá menos límites de grano. Idealmente, los monocristales suprimirán por completo este mecanismo, ya que la muestra no tendrá límites de grano.
Otro método consiste en reforzar los límites de los granos mediante la adición de precipitados. Los precipitados pequeños ubicados en los límites de los granos pueden fijar los límites de los granos y evitar que los granos se deslicen unos contra otros. Sin embargo, no todos los precipitados son deseables en los límites. Los precipitados grandes pueden tener el efecto opuesto en la fijación de los límites de los granos, ya que permiten que haya más espacios o vacantes entre los granos para acomodar los precipitados, lo que reduce el efecto de fijación.
En la actualidad, el uso de acero de alta resistencia es omnipresente en el mundo de la ingeniería. Para proporcionar una base de ingeniería sustancial para la construcción en el mundo real, el modelado de acero de alta resistencia es muy importante.
Al ingresar parámetros como el módulo elástico, el límite elástico, el coeficiente de Poisson y el calor específico del acero de alta resistencia a partir de dos temperaturas, podemos derivar la energía GBS relacionada en función de la temperatura y, por lo tanto, su límite elástico en función de la temperatura. [18]
La técnica de conformado superplástico es una técnica en la que los materiales se deforman más allá de la tensión de fluencia para formar una construcción liviana con una forma compleja. Este fenómeno es posible gracias al deslizamiento de los límites de grano que se posibilita mediante deslizamiento/fluencia por dislocación y fluencia por difusión.
Un ejemplo sería el de las aleaciones comerciales de Al-Mg de grano fino, en las que se observa un deslizamiento de los límites de grano inusualmente débil durante la etapa inicial de la deformación superplástica. A través de una prueba de tracción, los granos se alargaron a lo largo de la dirección de tracción hasta un 50~70 %. La deformación fue orquestada por el aumento de las fracciones de la zona de agotamiento de la precipitación, la segregación de partículas en los límites de grano longitudinales, la actividad de dislocación y los subgranos. El aumento del contenido de Mg conduce a un aumento de GBS. El aumento del contenido de Mg del 4,8 al 6,5~7,6 % ayuda a la estabilidad del tamaño de grano durante el proceso de aumento de temperatura, simplificó el GBS y disminuyó la contribución de la fluencia por difusión, y aumentó la deformación por falla del 300 % al 430 %. [19]
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). [20] 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 descubrieron que el mecanismo predominante de falla en estos filamentos de tungsteno era el deslizamiento del límite de grano debido a la fluencia difusional. [21] Esto se debe a que los filamentos de tungsteno, al ser tan delgados, 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. [21] Esta estructura de grano alargado generalmente se denomina 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 tensión bajo 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 más torsión en el filamento. [21] Es esta comba la que inevitablemente da como resultado una ruptura del filamento, lo que hace que la bombilla incandescente sea inútil. La vida útil típica de estos filamentos de una sola bobina es de aproximadamente 440 horas. [21]
Para combatir este deslizamiento de los límites de grano, los investigadores comenzaron a dopar el filamento de tungsteno con aluminio, silicio y, lo más importante, potasio. Este material compuesto (tungsteno AKS) es único porque está compuesto de potasio y tungsteno, que no son aleantes. [22] Esta característica del potasio da como resultado burbujas de tamaño nanométrico de potasio líquido o gaseoso que se distribuyen por todo el filamento después de una fabricación adecuada. [22] Estas burbujas interactúan con todos los defectos en las dislocaciones de fijación del filamento y, lo que es más importante, en los límites de grano. 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 de grano le valió a estos filamentos el título de "filamentos que no se comban", ya que ya no se doblarían por su propio peso. [22] Por lo tanto, este enfoque inicialmente contraintuitivo para fortalecer los filamentos de tungsteno comenzó a usarse ampliamente en casi todas las bombillas incandescentes para aumentar en gran medida su vida útil.
