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Crecimiento anormal del grano

El crecimiento anormal o discontinuo del grano conduce a una microestructura heterogénea donde un número limitado de granos crece mucho más rápido que el resto.

En la ciencia de los materiales , el crecimiento de grano anormal o discontinuo , también conocido como crecimiento de grano por recristalización secundaria o exagerada , es un fenómeno de crecimiento de grano en el que ciertos granos energéticamente favorables ( cristalitos ) crecen rápidamente en una matriz de granos más finos, lo que resulta en una distribución bimodal del tamaño de grano .

En los materiales cerámicos , este fenómeno puede dar lugar a la formación de granos prismáticos alargados y aciculares (con forma de aguja) en una matriz densificada. Esta microestructura tiene el potencial de mejorar la tenacidad a la fractura al impedir la propagación de grietas . [1]

Mecanismos

El crecimiento anormal de grano (AGG) se encuentra en sistemas metálicos o cerámicos que presentan una o más de varias características: [2] [3]

  1. Sistemas con inclusiones de fase secundaria, precipitados o impurezas por encima de un determinado umbral de concentración.
  2. Sistemas con una energía superficial altamente anisotrópica .
  3. Sistemas alejados del equilibrio químico .

El crecimiento anormal de los granos se produce debido a tasas locales muy altas de migración de la interfaz y se ve potenciado por la formación localizada de líquido en los límites de los granos. En 2023, Liss et al. [4] han demostrado que la activación espontánea de un límite de grano abre vías de difusión, lo que lleva a la activación de un grano en una microestructura que de otro modo estaría inactiva y permite que el grano gire y se fusione con un grano vecino. Sin embargo, debido a la competencia con los granos circundantes, la rotación puede proceder de forma errática. Junto con la activación espontánea, esto hace que el crecimiento anormal de los granos sea un proceso en gran medida errático. Si bien la activación de los límites de grano (que conduce a la rotación y el crecimiento) puede ocurrir a temperaturas muy inferiores a las temperaturas requeridas para la fusión parcial de los límites de grano, el efecto se enfatiza cuando se produce la fusión.

Significado

En la sinterización de materiales cerámicos, el crecimiento anormal de los granos suele considerarse un fenómeno indeseable, ya que los granos de crecimiento rápido pueden reducir la dureza del material a granel mediante efectos de tipo Hall-Petch . Sin embargo, la introducción controlada de dopantes para lograr un AGG controlado puede utilizarse para impartir endurecimiento de las fibras en materiales cerámicos. Además, el AGG es indeseable en cerámicas piezoeléctricas , ya que puede degradar el efecto piezoeléctrico .

Sistemas de ejemplo

Crecimiento de grano anormal observado en Rutilo TiO 2 , inducido por la presencia de una fase secundaria de circón . [3]
  1. El rutilo (TiO 2 ) exhibe frecuentemente un hábito de crecimiento prismático o acicular . En presencia de dopantes alcalinos o un dopante ZrSiO 4 en estado sólido , se ha observado que el rutilo cristaliza a partir de una fase madre de anatasa en forma de granos anormalmente grandes que existen en una matriz de granos de anatasa o rutilo más finos y equiaxiales. [3]
  2. Se ha informado que la alúmina , Al2O3 con dopantes/impurezas de sílice y/o itria exhibe AGG indeseable. [5]
  3. Se sabe que el titanato de bario BaTiO3 con un exceso de TiO2 presenta un crecimiento de grano anormal con profundas consecuencias en el rendimiento piezoeléctrico.
  4. Se ha informado que el carburo de tungsteno exhibe AGG de granos facetados en presencia de una fase líquida que contiene cobalto en los límites de los granos [6].
  5. El nitruro de silicio (Si 3 N 4 ) puede exhibir AGG dependiendo de la distribución de tamaño del material de fase β en un precursor α-Si 3 N 4 . Este tipo de crecimiento de grano es importante en el endurecimiento de los materiales de nitruro de silicio [7]
  6. Se ha demostrado que el carburo de silicio presenta una mayor tenacidad a la fractura como resultado de los procesos AGG que dan lugar a granos alargados con puentes de grietas y estelas, con consecuencias para aplicaciones en blindaje balístico. Esta mejora de la tenacidad a la fractura en materiales cerámicos a través de puentes de grietas resultantes de AGG es coherente con los efectos morfológicos informados sobre la propagación de grietas en cerámicas [1].
  7. Se sabe que el niobato de estroncio y bario, utilizado para aplicaciones electroópticas y dieléctricas, presenta AGG con consecuencias significativas en el rendimiento electrónico del material [8].
  8. Se ha observado que los sistemas de titanato de calcio (CaTiO 3 , perovskita) dopados con BaO exhiben AGG sin la formación de líquido como resultado de interfaces politípicas entre fases sólidas [9].

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Padture, NP; Lawn, BR (1994). "Propiedades de tenacidad de un carburo de silicio con una estructura de grano heterogénea inducida in situ". J. Am. Ceram. Soc. 77 (10): 2518–2522. doi :10.1111/j.1151-2916.1994.tb04637.x.
  2. ^ Kang, S.-JL (2005). Sinterización: densificación, crecimiento de grano y microestructura . Elsevier Butterworth-Heinemann . ISBN 9780080493077.
  3. ^ abc Hanaor, DAH; Xu, W.; Ferry, M.; Sorrell, CC (2012). "Crecimiento anormal del grano de rutilo TiO2 inducido por ZrSiO4". Journal of Crystal Growth . 359 : 83–91. arXiv : 1303.2761 . Código Bibliográfico :2012JCrGr.359...83H. doi :10.1016/j.jcrysgro.2012.08.015. S2CID  94096447.
  4. ^ Liss, K.-D.; Xu, PG; Shiro, A.; Zhang, SY; Yukutake, E.; Shobu, T.; Akita, K. (2023). "Crecimiento anormal del grano: una activación espontánea de la rotación competitiva del grano". Materiales de ingeniería avanzada . 26 (4): 2300470. doi : 10.1002/adem.202300470 .
  5. ^ Bae, I.-J.; Baik, S. (1997). "Crecimiento anormal del grano de alúmina". J. Am. Ceram. Soc. 80 (5): 1149–1156. doi :10.1111/j.1151-2916.1997.tb02957.x.
  6. ^ Park, YJ; Hwang, NM; Yoon, DY (1996). "Crecimiento anormal de granos facetados (WC) en una matriz líquida (Co)". Metall. Mater. Trans. 27 (9): 2809–2819. Bibcode :1996MMTA...27.2809P. doi :10.1007/bf02652373. S2CID  137080942.
  7. ^ Dressler, W.; Kleebe, H.-J.; Hoffmann, MJ; Rühle, M.; Petzow, G. (1996). "Experimentos modelo sobre el crecimiento anormal del grano en nitruro de silicio". J. Eur. Ceram. Soc. 16 (1): 3–14. doi :10.1016/0955-2219(95)00175-1.
  8. ^ Lee, H.-Y.; Freer, R. (1997). "El mecanismo de crecimiento anormal del grano en cerámicas de Sr 0.6 Ba 0.4 Nb 2 O 6 ". J. Appl. Phys. 81 (1): 376–382. Bibcode :1997JAP....81..376L. doi :10.1063/1.364122.
  9. ^ Recnik, A. (2001). "Crecimiento exagerado del grano inducido por politipos en cerámica". J. Eur. Ceram. Soc. 21 (10): 2117–2121. doi :10.1016/s0955-2219(01)00184-4.

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