Deslizamiento de los límites de grano

El deslizamiento de límites de grano (GBS) es un mecanismo de deformación de materiales en el que los granos se deslizan unos contra otros. Esto ocurre en materiales policristalinos bajo tensión externa a alta temperatura homóloga (superior a ~0,4 ^{[ 1 ]} ) y baja velocidad de deformación , y está relacionado con la fluencia . La temperatura homóloga describe la temperatura de operación en relación con la temperatura de fusión del material. Existen principalmente dos tipos de deslizamiento de límites de grano: el deslizamiento de Rachinger ^{[ 2 ] y el deslizamiento de Lifshitz [ 3 ]} . El deslizamiento de límites de grano suele ocurrir como una combinación de ambos tipos. La forma del límite a menudo determina la velocidad y la extensión del deslizamiento de límites de grano ^{[ 4 ] .}

El deslizamiento de los límites de grano es un movimiento que impide la formación de grietas intergranulares. Cabe destacar que, a altas temperaturas, se producen numerosos procesos, siendo el deslizamiento de los límites de grano solo uno de ellos. Por lo tanto, no sorprende que la fluencia de Nabarro-Herring y la fluencia de Coble dependan del deslizamiento de los límites de grano. Durante la fluencia a alta temperatura, se observan con frecuencia límites de grano ondulados. Este tipo de límite se puede simular mediante una curva sinusoidal, con amplitud h y longitud de onda λ . La velocidad de fluencia en estado estacionario aumenta con el incremento de la relación λ/h. A valores altos de 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 en los límites de grano ( fluencia de Coble ). Además, cuando la relación λ/h es elevada, puede impedirse el flujo difusional, lo que puede provocar la formación de huecos difusionales y, en consecuencia, la fractura durante la fluencia. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

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 aproximadamente el 50-60% de la deformación en la fluencia por difusión de Nabarro-Herring . ^{[ 8 ]} Este mecanismo es la causa principal de la falla de la cerámica a altas temperaturas debido a la formación de fases vítreas en sus límites de grano. ^{[ 9 ]}

El deslizamiento de Rachinger es puramente elástico; los granos conservan la mayor parte de su forma original. ^{[ 8 ]} La tensión interna se acumula a medida que los granos se deslizan hasta que se equilibra con la tensión externa aplicada. Por ejemplo, cuando se aplica una tensión de tracción uniaxial a una muestra, los granos se mueven para acomodar el alargamiento y aumenta el número de granos en la dirección de la tensión aplicada.

El deslizamiento de Lifshitz solo ocurre con la fluencia de Nabarro-Herring y Coble. ^{[ 8 ]} El movimiento de deslizamiento se acomoda mediante la difusión de vacantes a partir 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 a otros, deben existir mecanismos simultáneos que permitan que este deslizamiento ocurra sin que los granos se superpongan (lo cual sería físicamente imposible). ^{[ 10 ]} Se han propuesto varios mecanismos de acomodación para explicar este problema.

• Movimiento de dislocaciones: Las dislocaciones pueden moverse a través del material mediante procesos como el ascenso y el deslizamiento para permitir la compatibilidad ^{[ 11 ].}
• Distorsión elástica: Cuando la distancia de deslizamiento es pequeña, los granos pueden deformarse elásticamente (y a 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 grano o a través de los granos para permitir la compatibilidad ^{[ 4 ].}

Deslizamiento de los límites de grano acomodado por flujo difusional:

El deslizamiento de los límites de grano, acomodado por el flujo difusional, se produce mediante el cambio de grano, preservando su forma. Este mecanismo es similar a la 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 en tres etapas: a) Estado inicial, b) Etapa intermedia y c) Estado final. En la etapa intermedia, debe aplicarse una tensión que supere la tensión umbral, de modo que aumente el área del límite de grano gracias al flujo difusional que se produce al alcanzar dicha tensión. Si la tensión aplicada es mucho mayor que la tensión umbral, la velocidad de deformación es superior a la de la fluencia difusional convencional. Esto se debe a que, en la difusión por cambio de grano, la distancia es aproximadamente 1/7 de la distancia de la fluencia difusional y existen dos vías más para el cambio de grano en comparación con la fluencia difusional. Por lo tanto, esto dará lugar a una velocidad de deformación aproximadamente un orden de magnitud mayor que la de la fluencia difusional.

Deslizamiento de los límites de grano acomodado por el flujo de dislocaciones:

En condiciones de temperatura, velocidad de deformación y tensión superplásticas, las dislocaciones rara vez se observan debido a que se emiten y absorben rápidamente en los límites de grano. Sin embargo, se han realizado estudios exhaustivos para verificar que, efectivamente, se emiten dislocaciones durante la deformación superplástica. Durante el flujo de dislocaciones, debe garantizarse que la forma del grano no cambie. Según los modelos de superplasticidad, la transición de la fluencia por dislocación 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', puede describirse mediante la siguiente ecuación:

${\displaystyle {d' \over b}={10G \over \tau }}$,

Donde tiene una relación inversa con el esfuerzo cortante. ^{[ 12 ]}

En términos generales, la velocidad de fluencia mínima para la difusión se puede expresar como: ^{[ 13 ] [ 8 ]}

${\displaystyle {\dot {\epsilon }}_{s}={\frac {ADGb}{kT}}\left({\frac {b}{d}}\right)^{p}\left({\frac {\sigma }{G}}\right)^{n}}$

donde los términos se definen de la siguiente manera:

• ${\displaystyle {\dot {\epsilon }}_{s}}$= velocidad de fluencia mínima
• ${\displaystyle A}$= constante
• ${\displaystyle D}$= coeficiente de difusión
• ${\displaystyle b}$= Vector de hamburguesas
• ${\displaystyle k}$= constante de Boltzmann
• ${\displaystyle T}$= temperatura
• ${\displaystyle d}$= tamaño medio del grano
• ${\displaystyle \sigma }$= estrés
• ${\displaystyle G}$= módulo de cizallamiento
• ${\displaystyle p,n}$= exponentes que dependen del mecanismo de fluencia

En el caso en que esta velocidad de fluencia mínima esté controlada por el deslizamiento de los límites de grano, los exponentes se convierten en${\displaystyle p=1}$,${\displaystyle n=2}$y el coeficiente de difusión${\displaystyle D}$se convierte${\displaystyle D_{L}}$(el coeficiente de difusión reticular). ^{[ 13 ] [ 8 ]} Por lo tanto, la velocidad de fluencia mínima se convierte en:

${\displaystyle {\dot {\epsilon }}_{s}={\frac {AD_{L}Gb}{kT}}\left({\frac {b}{d}}\right)\left({\frac {\sigma }{G}}\right)^{2}}$

La deformación total bajo condiciones de fluencia se puede denotar como εt, donde:

_{${\displaystyle \epsilon _{t}=\epsilon _{g}+\epsilon _{gbs}+\epsilon _{dc}}$}

_{${\displaystyle \epsilon _{g}}$}= Deformación asociada a procesos de dislocación intragranular

_{${\displaystyle \epsilon _{gbs}}$}= Deformación debida al síndrome de Guillain-Barré de Rachinger asociada con deslizamiento intragranular

_{${\displaystyle \epsilon _{dc}}$}= Deformación debida al GBS de Lifshitz asociada con la fluencia por difusión

Durante la práctica, los experimentos normalmente se realizan en condiciones donde la fluencia es despreciable, por lo tanto, la ecuación 1 se reducirá a:

_{${\displaystyle \epsilon _{t}=\epsilon _{g}+\epsilon _{gbs}}$}

Por lo tanto, la contribución de GBS a la deformación total se puede expresar como:

_{${\displaystyle \xi ={\epsilon _{gbs} \over \epsilon _{g}}}$}

Primero, necesitamos ilustrar los tres vectores de desplazamiento perpendiculares:_{${\displaystyle u}$},_{${\displaystyle v}$}, y_{${\displaystyle w}$}, con un vector de deslizamiento del límite de grano: s. Se puede imaginar como el_{${\displaystyle w}$}vector de desplazamiento que sale del plano. Mientras que el_{${\displaystyle v}$}y_{${\displaystyle u}$}Los vectores 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_{${\displaystyle uv}$}plano de desplazamientos como_{${\displaystyle \Psi }$}y el ángulo entre el_{${\displaystyle uw}$}aviones como_{${\displaystyle \Theta }$}._{${\displaystyle u}$}Luego se pueden relacionar mediante las tangentes de estos ángulos a través de la ecuación:

_{${\displaystyle u=v\tan \Psi +w\tan \Theta }$}

En la práctica, una forma común y más sencilla consiste en utilizar la interferometría para medir las franjas a lo largo del eje de desplazamiento v. La deformación por deslizamiento viene dada entonces por:

_{${\displaystyle \epsilon _{gbs}=k''n_{r}v_{r}}$}

Dónde_{${\displaystyle k''}$}es constante,_{${\displaystyle n_{r}}$}es el número de mediciones, y_{${\displaystyle v_{r}}$}es el promedio de n mediciones.

Así podemos calcular el porcentaje de cepa GBS. ^{[ 14 ]}

La dispersión en los límites de grano se ha observado experimentalmente mediante 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 de referencia, pudieron observar un desplazamiento de dicha línea en el límite de grano como resultado del deslizamiento de granos adyacentes entre sí. Posteriormente, esto también se observó en otros sistemas, incluyendo aleaciones de Zn-Al mediante microscopía electrónica, ^{[ 16 ]} y octacloropropano mediante técnicas in situ. ^{[ 10 ]}

Los materiales nanocristalinos, o nanomateriales, poseen granos finos que ayudan a suprimir la fluencia de la red cristalina. Esto resulta beneficioso para operaciones a temperaturas relativamente bajas, ya que dificulta el movimiento o la difusión de dislocaciones debido a la alta fracción volumétrica de los límites de grano. Sin embargo, los granos finos son indeseables a altas temperaturas debido a la mayor probabilidad de deslizamiento de los límites de grano. ^{[ 17 ]}

La forma del grano influye considerablemente en 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 en los límites de grano. Generalmente, se prefieren los materiales con granos más gruesos, ya que presentan menos límites de grano. Idealmente, los monocristales suprimen por completo este mecanismo, puesto que la muestra carece de límites de grano.

Otro método consiste en reforzar los límites de grano mediante la adición de precipitados. Los precipitados pequeños situados en los límites de grano pueden fijarlos 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 contrario en la fijación de los límites de grano, ya que permiten que se formen más huecos o vacantes entre los granos para alojarlos, lo que reduce el efecto de fijación.

El uso de acero de alta resistencia es omnipresente en el mundo de la ingeniería actual. Para proporcionar una base de ingeniería sólida para la construcción real, el modelado de acero de alta resistencia es fundamental.

Al introducir parámetros como el módulo de elasticidad, el límite elástico, la relación de Poisson y el calor específico del acero de alta resistencia a 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 consiste en deformar materiales más allá de su límite elástico para crear estructuras ligeras de formas complejas. Este fenómeno es posible gracias al deslizamiento de los límites de grano, facilitado por el deslizamiento/fluencia de dislocaciones y la fluencia por difusión.

Un ejemplo sería el de las aleaciones comerciales de Al-Mg de grano fino, donde se observa un deslizamiento de borde de grano inusualmente débil durante la etapa inicial de la deformación superplástica. Mediante un ensayo de tracción, los granos se alargaron en 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 por precipitación, la segregación de partículas en los bordes de grano longitudinales, la actividad de dislocaciones y los subgranos. El aumento del contenido de Mg conduce a un aumento del GBS. El aumento del contenido de Mg de 4,8 % a 6,5-7,6 % favorece la estabilidad del tamaño de grano durante el proceso de aumento de temperatura, simplifica el GBS y disminuye la contribución de la fluencia por difusión, e incrementa la deformación de rotura de 300 % a 430 %. ^{[ 19 ]}

La temperatura de funcionamiento de los filamentos de tungsteno utilizados en las bombillas incandescentes oscila entre 2000 K y 3200 K, cerca del punto de fusión del tungsteno (T _m = 3695 K). ^{[ 20 ]} Dado que se espera que las bombillas funcionen durante largos periodos de tiempo a una temperatura homóloga de hasta 0,8, comprender y prevenir el mecanismo de fluencia es crucial para prolongar su vida útil.

Los investigadores descubrieron que el mecanismo predominante de falla en estos filamentos de tungsteno era el deslizamiento de los límites de grano, compensado por la fluencia por difusión. ^{[ 21 ]} Esto se debe a que los filamentos de tungsteno, al ser tan delgados, suelen constar de solo unos pocos 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 se conoce generalmente como 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 rotar y deslizarse. Esta tensión, debido a las variaciones en el filamento, provoca que este se combe de forma no uniforme, lo que finalmente introduce un par adicional en el filamento. ^{[ 21 ]} Es esta comba la que inevitablemente resulta en la ruptura del filamento, dejando la bombilla incandescente inservible. 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, sobre todo, potasio. Este material compuesto (tungsteno AKS) es único, ya que está compuesto de potasio y tungsteno, que no forman aleaciones. ^{[ 22 ]} Esta característica del potasio da como resultado la distribución de burbujas de tamaño nanométrico, ya sean líquidas o gaseosas, a lo largo del filamento tras una fabricación adecuada. ^{[ 22 ]} Estas burbujas interactúan con todos los defectos del filamento, fijando las dislocaciones y, sobre todo, los límites de grano. La fijación de 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 les valió a estos filamentos el título de "filamentos anti-deformación", ya que ya no se doblaban bajo su propio peso. ^{[ 22 ]} Por lo tanto, este enfoque inicialmente contraintuitivo para fortalecer los filamentos de tungsteno comenzó a utilizarse ampliamente en casi todas las bombillas incandescentes para aumentar considerablemente su vida útil.