Скольжение по границам зерен

Зернограничное скольжение (GBS) — это механизм деформации материала , при котором зерна скользят друг против друга. Это происходит в поликристаллическом материале при внешнем напряжении при высокой гомологичной температуре (выше ~0,4 ) и низкой скоростью деформации и переплетается с ползучестью . Гомологичная температура описывает рабочую температуру относительно температуры плавления материала. В основном различают два типа зернограничного скольжения: скольжение по Рэчинджеру, и Лифшиц скользит. Зернограничное скольжение обычно происходит как комбинация обоих типов скольжения. Форма границы часто определяет скорость и степень скольжения границ зерен.

Зернограничное скольжение – это движение, предотвращающее образование межзеренных трещин. Имейте в виду, что при высоких температурах происходит множество процессов, и зернограничное скольжение — лишь один из происходящих процессов. Поэтому неудивительно, что ползучесть Набарро-Херринга и Кобла зависит от зернограничного скольжения. При высокотемпературной ползучести часто наблюдаются волнистые границы зерен. Мы можем смоделировать границу этого типа с помощью синусоидальной кривой с амплитудой h и длиной волны λ. Скорость установившейся ползучести увеличивается с увеличением отношения λ/h. При высоких λ и высоких гомологичных температурах зернограничное скольжение контролируется решеточной диффузией (механизм Набарро-Херринга). С другой стороны, это будет контролироваться зернограничной диффузией (ползучесть Кобла). Кроме того, когда отношения λ/h высоки, это может препятствовать диффузионному течению, поэтому могут образовываться диффузионные пустоты, что приводит к разрушению при ползучести.

Многие люди разработали оценки вклада зернограничного скольжения в общую деформацию, испытываемую различными группами материалов, такими как металлы, керамика и геологические материалы. Скольжение по границам зерен приводит к значительной деформации, особенно для мелкозернистых материалов и высоких температур. Было показано, что зернограничное скольжение по Лифшицу составляет около 50-60% деформации при диффузионной ползучести Набарро-Херринга. Этот механизм является основной причиной разрушения керамики при высоких температурах из-за образования стеклообразных фаз на границах зерен.

Простая схема зернограничного скольжения в поликристаллическом образце (адаптировано из ). Когда к материалам прикладывается растягивающая нагрузка, зерна растягиваются в этом направлении. Это приводит к созданию пустот/полостей и потере целостности. Чтобы предотвратить образование пустот, зерна скользят относительно друг друга, заполняя эти нежелательные зазоры.

Рэчинджер раздвижной

Скольжение по Рэчингеру чисто упругое; зерна сохраняют большую часть своей первоначальной формы. Внутреннее напряжение будет нарастать по мере скольжения зерен до тех пор, пока оно не уравновесится с внешним приложенным напряжением. Например, когда к образцу прикладывается одноосное растягивающее напряжение, зерна перемещаются, компенсируя удлинение, и количество зерен в направлении приложенного напряжения увеличивается.

Лифшиц раздвижной

Лифшицево скольжение происходит только при ползучести Набарро – Херринга и Кобла. Скользящее движение компенсируется диффузией вакансий из-за наведенных напряжений, и в ходе процесса форма зерна изменяется. Например, при приложении одноосного растягивающего напряжения внутри зерен будет происходить диффузия, и зерно будет удлиняться в том же направлении, что и приложенное напряжение. В направлении приложения напряжения не будет увеличения количества зерен.

Механизмы размещения

Когда поликристаллические зерна скользят относительно друг друга, должны существовать одновременные механизмы, которые позволяют этому скольжению происходить без перекрытия зерен (что было бы физически невозможно). Для решения этой проблемы были предложены различные механизмы приспособления.

• Движение дислокаций: дислокации могут перемещаться через материал посредством таких процессов, как подъем и скольжение, чтобы обеспечить совместимость.
• Упругая деформация: когда расстояние скольжения мало, зерна могут упруго деформироваться (а иногда и восстанавливаться), чтобы обеспечить совместимость.
• Диффузионная аккомодация: используя механизмы диффузионной ползучести, материал может диффундировать вдоль границ зерен или сквозь зерна, чтобы обеспечить совместимость.

Зернограничное скольжение, обусловленное диффузионным потоком:

Зернограничное скольжение, вызванное диффузионным потоком, происходит за счет переключения зерен с сохранением формы зерен. Этот тип механизма является синонимом ползучести Набарро Херринга и Кобла, но описывает зерно в сверхпластических условиях. Эта концепция была первоначально предложена Эшби и Верралом. Процесс переключения зерна можно описать тремя этапами: а) Исходное состояние, б) Промежуточный этап, в) Конечное состояние. На промежуточном этапе сначала должно быть приложенное напряжение, превышающее «пороговое» напряжение, чтобы произошло увеличение площади границ зерен, которое обеспечивается диффузионным потоком, который возникает после достижения порогового напряжения. Если предположить, что приложенное напряжение намного превышает пороговое напряжение, скорость деформации превышает традиционную диффузионную ползучесть. Причина этого в том, что для диффузии с переключением зерен расстояние составляет примерно 1/7 расстояния диффузионной ползучести и существует еще два пути к переключению зерен по сравнению с диффузионной ползучестью. Таким образом, это приведет примерно к более высокой скорости деформации, чем диффузионная ползучесть.

Зернограничное скольжение, обусловленное потоком дислокаций:

При сверхпластической температуре, скорости деформации и напряженных условиях дислокации действительно наблюдаются, поскольку они быстро выделяются и поглощаются на границах зерен. Однако были проведены тщательные исследования, чтобы убедиться, что дислокации действительно возникают во время сверхпластической деформации. В процессе течения дислокаций необходимо следить за тем, чтобы форма зерна не менялась. Согласно моделям сверхпластичности, переход от дислокационной ползучести к сверхпластичности происходит, когда размер субзерен меньше размера зерна. Размер субзерен: часто обозначаемый как d', можно описать уравнением ниже:

d'/b = 10G/𝜏, где оно имеет обратную зависимость от напряжения сдвига.

Скорость деформации от зернограничного скольжения

Вообще говоря, минимальная скорость ползучести диффузии может быть выражена как:

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

где термины определены следующим образом:

• ${\dot {\epsilon }}_{s}$ = минимальная скорость ползучести
• $A$ = константа
• $D$ = коэффициент диффузии
• $b$ = Вектор бургеров
• $k$ = постоянная Больцмана
• $T$ = температура
• $d$ = средний размер зерна
• $\sigma$ = стресс
• $G$ = модуль сдвига
• $p,n$ = показатели степени, зависящие от механизма ползучести

В случае, когда эта минимальная скорость ползучести контролируется зернограничным скольжением, показатели степени становятся $p=1$, $n=2$, а коэффициент диффузии $D$ становится $D_{L}$ (коэффициент решеточной диффузии). Таким образом, минимальная скорость ползучести становится:

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

Оценка вклада GBS в общую нагрузку

Полную деформацию в условиях ползучести можно обозначить как εt, где:

ε _t = ε _g + ε _gbs +ε _dc  

ε _g = деформация, связанная с внутризеренными дислокационными процессами

ε _gbs = деформация, вызванная GBS Рачингера, связанная с внутризеренным скольжением

ε _dc = деформация из-за ГБС Лифшица, связанная с диффузионной ползучестью

На практике эксперименты обычно проводятся в условиях, когда ползучесть незначительна, поэтому уравнение 1 сводится к:

ε _t = ε _g + ε _gbs

Поэтому вклад ГБС в общую деформацию можно обозначить как:

Ⲝ = ε _gbs / ε _t  

Во-первых, нам нужно проиллюстрировать три перпендикулярных вектора смещения: u, v и w, с помощью вектора скольжения по границам зерен: s. Его можно представить как вектор смещения w, выходящий из плоскости. Пока векторы v и u находятся в плоскости. Вектор смещения u также является направлением растягивающего напряжения. Вклад скольжения можно оценить путем индивидуальных измерений εgbs через эти векторы смещения. Далее мы можем определить угол смещений в плоскости uv как Ѱ, а угол между плоскостями uw как Θ. Тогда u можно связать тангенсами этих углов уравнением:

U = vtan Ѱ + wtanΘ

Распространенный и простой способ на практике — использовать интерферометрию для измерения полос вдоль оси смещения v. Тогда деформация скольжения определяется выражением:

εgbs = k''nr vr

Где k'' — константа, nr — количество измерений, а vr — среднее значение n измерений.

Таким образом, мы можем рассчитать процент деформации GBS.

Экспериментальные доказательства

Простая схема, показывающая, как экспериментаторы наблюдают скольжение границ зерен между двумя соседними зернами. Первоначально поликристаллический материал процарапывается маркерной линией (здесь она показана толстой пунктирной линией). Если эти два зерна скользят относительно друг друга, на границе зерна произойдет смещение этой линии маркера. Это можно наблюдать с помощью различных методов микроскопии.

Рассеяние на границах зерен наблюдалось экспериментально с использованием различных методов микроскопии. Впервые он был обнаружен в бикристаллах NaCl и MgO в 1962 году Адамсом и Мюрреем. Поцарапав поверхность своих образцов маркерной линией, они смогли наблюдать смещение этой линии на границе зерен в результате скольжения соседних зерен относительно друг друга. В дальнейшем это наблюдалось и в других системах, в том числе в сплавах Zn-Al с помощью электронной микроскопии. и октахлорпропан с использованием методов in situ.

Наноматериалы

Нанокристаллические материалы или наноматериалы имеют мелкие зерна, которые помогают подавлять ползучесть решетки. Это полезно для операций с относительно низкими температурами, поскольку препятствует движению или диффузии дислокаций из-за высокой объемной доли границ зерен. Однако мелкие зерна нежелательны при высокой температуре из-за повышенной вероятности скольжения по границам зерен.

Профилактика

Форма зерен играет большую роль в определении скорости и степени скольжения. Таким образом, контролируя размер и форму зерна, можно ограничить величину зернограничного скольжения. Как правило, предпочтительны материалы с более крупными зернами, поскольку материал будет иметь меньше границ зерен. В идеале монокристаллы полностью подавляют этот механизм, поскольку образец не имеет границ зерен.

Другой метод — укрепить границы зерен путем добавления выделений. Небольшие выделения, расположенные на границах зерен, могут закреплять границы зерен и препятствовать скольжению зерен друг относительно друга. Однако не все выделения желательны на границах. Большие выделения могут иметь противоположный эффект на закрепление границ зерен, поскольку они позволяют создавать больше промежутков или вакансий между зернами для размещения выделений, что снижает эффект закрепления.

Моделирование эффектов GBS в высокопрочной стали

Сегодня в мире машиностроения повсеместно применяется высокопрочная сталь. Чтобы обеспечить прочную инженерную основу для реального строительства, очень важно моделирование высокопрочной стали.

Вводя такие параметры, как модуль упругости, предел текучести, коэффициент Пуассона и удельную теплоемкость высокопрочной стали, исходя из двух температур, мы можем вывести соответствующую энергию GBS как функцию температуры и, следовательно, ее предел текучести как функцию температуры.

Экспериментальное исследование: метод сверхпластической формовки с помощью GBS

Метод сверхпластической формовки — это метод, при котором материалы деформируются сверх предела текучести с образованием легкой конструкции сложной формы. Это явление возможно за счет скольжения по границам зерен, которое обеспечивается скольжением/ползучестью дислокаций и диффузионной ползучестью.

Примером может быть для коммерческих мелкозернистых сплавов Al-Mg на начальной стадии сверхпластической деформации наблюдается необычно слабое зернограничное скольжение. В ходе испытания на растяжение зерна были удлинены в направлении растяжения на 50–70%. Деформация обусловлена ​​увеличением доли зоны обеднения осадков, сегрегацией частиц по продольным границам зерен, дислокационной активностью и субзернами. Повышенное содержание Mg приводит к увеличению СГБ. Увеличение содержания Mg с 4,8 до 6,5–7,6% способствует стабильности размера зерен во время процесса повышения температуры, упрощает GBS и уменьшает вклад диффузионной ползучести, а также увеличивает деформацию разрушения с 300% до 430%.

Применение к вольфрамовым нитям

Рабочая температура вольфрамовых нитей, используемых в лампах накаливания, составляет от 2000 до 3200 К, что близко к температуре плавления вольфрама (T _m = 3695 К). Поскольку ожидается, что лампочки будут работать в течение длительных периодов времени при гомологичной температуре до 0,8, понимание и предотвращение механизма ползучести имеет решающее значение для продления их срока службы.

Исследователи обнаружили, что преобладающим механизмом разрушения этих вольфрамовых нитей было зернограничное скольжение, сопровождающееся диффузионной ползучестью. Это связано с тем, что вольфрамовые нити, какими бы тонкими они ни были, обычно состоят всего из нескольких удлиненных зерен. Фактически в вольфрамовой катушке обычно имеется менее одной границы зерна на виток. Эту удлиненную структуру зерен обычно называют бамбуковой структурой, поскольку зерна похожи на междоузлия стеблей бамбука. Во время работы вольфрамовая проволока испытывает напряжение под нагрузкой собственного веса и из-за диффузии, которая может возникнуть при высоких температурах, зерна начинают вращаться и скользить. Это напряжение из-за изменений в нити приводит к неравномерному провисанию нити, что в конечном итоге приводит к дополнительному крутящему моменту на нити. Именно это провисание неизбежно приводит к разрыву нити накаливания, что делает лампочку накаливания бесполезной. Типичный срок службы этих одиночных нитей накала составляет около 440 часов.

Чтобы бороться с этим скольжением по границам зерен, исследователи начали легировать вольфрамовую нить алюминием, кремнием и, что наиболее важно, калием. Этот композиционный материал (Вольфрам АКС) уникален, так как состоит из нелегирующих элементов калия и вольфрама. Эта особенность калия приводит к тому, что после надлежащего производства по всей нити распределяются наноразмерные пузырьки жидкого или газообразного калия. Эти пузырьки взаимодействуют со всеми дефектами закрепления нитей, дислокациями и, самое главное, границами зерен. Закрепление этих границ зерен даже при высоких температурах резко снижает скольжение границ зерен. Это уменьшение скольжения по границам зерен принесло этим нитям название «непровисающих нитей», поскольку они больше не прогибаются под собственным весом. Таким образом, этот изначально нелогичный подход к усилению вольфрамовых нитей стал широко использоваться почти во всех лампах накаливания, чтобы значительно увеличить их срок службы.