El deslizamiento de los límites de grano (GBS) es un mecanismo de deformación del material en el que los granos se deslizan entre sí. Esto ocurre en material policristalino bajo tensión externa a alta temperatura homóloga (por encima de ~0,4 [1] ) y baja tasa de deformación y está entrelazado 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 los límites de grano: el deslizamiento de Rachinger [2] y el deslizamiento de Lifshitz. [3] El deslizamiento de los límites del grano generalmente ocurre como una combinación de ambos tipos de deslizamiento. La forma de los límites a menudo determina la velocidad y extensión del deslizamiento de los límites del grano. [4]
El deslizamiento de los límites de grano es un movimiento para evitar que se formen grietas intergranulares. Tenga en cuenta que a altas temperaturas están en marcha muchos procesos y el deslizamiento de los límites del grano es sólo uno de los procesos que ocurren. Por lo tanto, no es sorprendente que la fluencia de Nabarro Herring y Coble dependa del deslizamiento de los límites del grano. Durante la fluencia a alta temperatura, a menudo se observan límites de grano ondulados. Podemos simular este tipo de frontera 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 alta λ y altas temperaturas homólogas, el deslizamiento de los límites de grano está controlado por difusión reticular (mecanismo Nabarro-Herring). Por otro lado, estará controlado por difusión en el límite de grano (Coble Creep). Además, cuando las relaciones λ/h son altas, puede impedir el flujo de difusión y, por lo tanto, se pueden formar huecos de difusión, lo que conduce a una fractura en la fluencia. [5] [6]
Muchas personas han desarrollado estimaciones sobre 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 del grano contribuye con una cantidad significativa de tensión, especialmente para materiales de grano fino y altas temperaturas. [1] Se ha demostrado que el deslizamiento de los límites del grano de Lifshitz contribuye con aproximadamente el 50-60% de la deformación en la fluencia por difusión Nabarro-Herring. [7] Este mecanismo es la causa principal del fallo cerámico 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 deslizan 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 el número de granos a lo largo de la dirección de la tensión aplicada aumenta.
El deslizamiento de Lifshitz solo ocurre con la fluencia de Nabarro-Herring y Coble. [7] El movimiento deslizante se adapta a la difusión de vacantes debido a las 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 entre sí, debe haber mecanismos simultáneos que permitan que este deslizamiento ocurra sin que los granos se superpongan (lo que sería físicamente imposible). [10] Se han propuesto varios mecanismos de adaptación para tener en cuenta esta cuestión.
Deslizamiento del límite de grano acomodado por flujo difusional:
El deslizamiento de los límites del grano acomodado por el flujo de difusión se produce mediante el cambio de grano preservando al mismo tiempo 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 proporcionado por el flujo de difusión que se produce una vez que se alcanza la tensión umbral. Bajo el supuesto de que la tensión aplicada es mucho mayor que la tensión umbral, la tasa de deformación es mayor que la fluencia por difusión convencional. La razón de esto es que para la difusión por cambio de grano, la distancia es aproximadamente 1/7 de la distancia de fluencia por difusión y hay dos caminos más para el cambio de grano en comparación con la fluencia por difusión. Por lo tanto, esto conducirá a una velocidad de deformación de aproximadamente un orden de magnitud mayor que la fluencia por difusión.
Deslizamiento del límite de grano acomodado por el flujo de dislocación:
A temperatura superplástica, velocidad de deformación y condiciones de tensión, las dislocaciones realmente se observan porque se emiten y absorben rápidamente en los límites de los granos. Sin embargo, se han realizado estudios cuidadosos para verificar que las dislocaciones realmente se emiten durante la deformación superplástica. Durante el flujo de dislocación, se debe garantizar que la forma del grano no cambie. Según modelos de superplasticidad, la transición de fluencia por dislocación a superplasticidad se produce cuando el tamaño del subgrano es menor que el tamaño del grano. El tamaño del subgrano: a menudo denominado 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 de fluencia mínima para la difusión se puede expresar como: [13] [7]
donde los términos se definen de la siguiente manera:
En el caso en que esta velocidad de fluencia mínima esté controlada por el deslizamiento de los límites del grano, los exponentes se convierten en , y el coeficiente de difusión se convierte en (el coeficiente de difusión de la red). [13] [7] Por lo tanto, la tasa de fluencia mínima se convierte en:
La deformación total en condiciones de fluencia se puede indicar 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 Lifshitz GBS asociada con fluencia por difusión
Durante la práctica, los experimentos normalmente se realizan en condiciones donde la fluencia es insignificante, por lo tanto, la ecuación 1 se reducirá a:
εt = εg + εgbs
Por lo tanto, la contribución de GBS a la cepa total se puede denotar como:
Ⲝ = ε gb / ε t
Primero, necesitamos ilustrar los tres vectores de desplazamiento perpendicular: 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 avión. Mientras 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 al 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 desplazamientos como Ѱ, y el ángulo entre los planos uw como Θ. Entonces u puede relacionarse por las tangentes de estos ángulos mediante 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 viene entonces dada por:
εgbs = k''nr vr
Donde k'' es constante, nr es el número de mediciones y vr es el promedio de n mediciones.
Así 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 observado 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 del grano como resultado del deslizamiento de los granos adyacentes entre sí. Posteriormente, esto se observó en otros sistemas, incluidas aleaciones de Zn-Al mediante microscopía electrónica [16] y octacloropropano mediante técnicas in situ. [10]
Los materiales nanocristalinos, o nanomateriales, tienen granos finos que ayudan a suprimir la fluencia 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 alta fracción de volumen de los límites de los granos. Sin embargo, los granos finos son indeseables a altas temperaturas debido a la mayor probabilidad de deslizamiento de los límites del grano. [17]
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 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 añadiendo precipitados. Los pequeños precipitados ubicados en los límites de los granos pueden fijar los límites de los granos e impedir 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 en la fijación de los límites de los granos, ya que permiten que haya más espacios o espacios vacíos entre los granos para acomodar los precipitados, lo que reduce el efecto de fijación.
La aplicación del acero de alta resistencia es omnipresente en el mundo de la ingeniería actual. 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 índice 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 del límite elástico para formar una construcción liviana de forma compleja. Este fenómeno es posible a través del deslizamiento de los límites del grano que es posible mediante deslizamiento/fluencia de dislocación y fluencia por difusión.
Un ejemplo sería para las aleaciones comerciales de Al-Mg de grano fino, donde se observa un deslizamiento inusualmente débil de los límites de grano durante la etapa inicial de la deformación superplástica. Mediante una prueba de tracción, los granos se alargaron a lo largo de la dirección de tracción entre un 50% y un 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 longitudinales de los granos, la actividad de dislocación y los subgranos. Un mayor contenido de Mg conduce a un aumento de GBS. El aumento del contenido de Mg de 4,8 a 6,5~7,6% ayuda a la estabilidad del tamaño del grano durante el proceso de mayor temperatura, simplificó el GBS y disminuyó la contribución a 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 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 de los límites del grano acomodado por la fluencia difusional. [21] Esto se debe a que los filamentos de tungsteno, al ser tan delgados como son, normalmente constan de sólo un puñado de granos alargados. De hecho, normalmente hay menos de un límite de grano por vuelta en una bobina de tungsteno. [21] Esta estructura de grano alargado 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 tensa 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 doble de manera no uniforme, lo que finalmente introduce más torsión en el filamento. [21] Es esta flacidez la que inevitablemente resulta en una ruptura del filamento, inutilizando la bombilla incandescente. La vida útil típica de estos filamentos de bobina simple 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 (AKS tungsteno) es único porque está compuesto de potasio y tungsteno, que no son aleados. [22] 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. [22] Estas burbujas interactúan con todos los defectos en las dislocaciones de fijación de filamentos y, lo más importante, con 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 del grano le valió a estos filamentos el título de "filamentos que no se comban", ya que ya no se curvarían bajo su propio peso. [22] 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 considerablemente su vida útil.
