• 晶界滑動

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    晶界滑動

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    雷金格滑動

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    Rachinger滑動是純彈性的;谷物保留了大部分原始形狀。內部應力會隨著晶粒的滑動而增加,直到應力與外部施加的應力相平衡。例如,當在樣品上施加單軸拉伸應力時,晶粒會移動以適應伸長率,并且沿施加應力方向的晶粒數量會增加。

    Lifshitz滑動

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    Lifshitz滑動只發生在Nabarro–Herring和Coble蠕變中。滑動運動由誘導應力產生的空位擴散和過程中晶粒形狀的變化來調節。例如,當施加單軸拉伸應力時,晶粒內將發生擴散,并且晶粒將沿與施加應力相同的方向伸長。沿著施加應力的方向,晶粒的數量不會增加。

    住宿機制

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    當多晶晶粒相對于彼此滑動時,必須同時存在允許這種滑動發生而沒有晶粒重疊的機制(這在物理上是不可能的)。已經提出了各種調節機制來解決這個問題。

    估計GBS對整體應變的貢獻

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    蠕變條件下的總應變可以表示為εt,其中

    εt=εg+εgbs+εdc

    εg=與晶內位錯過程相關的應變

    εgbs=與晶內滑動相關的RachingerGBS應變

    εdc=與擴散蠕變相關的LifshitzGBS引起的應變

    在實踐中,實驗通常在蠕變可以忽略不計的條件下進行,因此等式1將簡化為:

    εt=εg+εgbs

    因此GBS對總應變的貢獻可以表示為:

    ?=εgbs/εt

    首先,我們需要說明三個垂直位移矢量:u、v和w,以及??晶界滑動矢量:s。可以將其想象為從平面出來的w位移向量。而v和u向量在平面內。位移矢量u也是拉應力方向。可以通過這些位移矢量對εgbs進行單獨測量來估計滑動貢獻。我們可以進一步將位移的uv平面上的角度定義為?,將uw平面之間的角度定義為Θ。u然后可以通過等式與這些角度的切線相關:

    U=vtan?+wtanΘ

    實踐中一種常見且更簡單的方法是使用干涉測量法來測量沿v位移軸的條紋。滑動應變由下式給出:

    εgbs=k''nrvr

    其中k''是常數,nr是測量次數,vr是n次測量的平均值。

    因此我們可以計算GBS應變的百分比。

    實驗證據

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    已經使用各種顯微技術通過實驗觀察到晶界散射。1962年Adams和Murray在NaCl和MgO雙晶中首次觀察到它。通過用標記線劃傷樣品的表面,他們能夠觀察到該線在晶界處的偏移,這是相鄰晶粒相互滑動的結果。隨后,在其他系統中也觀察到了這一點,包括使用電子顯微鏡觀察到的Zn-Al合金和使用原位技術的八氯丙烷。

    納米材料

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    納米晶體材料納米材料具有有助于抑制晶格蠕變的細晶粒。這對于相對低溫的操作是有益的,因為由于晶界的高體積分數,它會阻礙位錯的運動或擴散。然而,由于晶界滑動的可能性增加,在高溫下不希望出現細晶粒。

    預防

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    晶粒形狀在決定滑動速率和程度方面起著很大的作用。因此,通過控制晶粒尺寸和形狀,可以限制晶界滑動量。通常,具有較粗晶粒的材料是優選的,因為該材料將具有較少的晶界。理想情況下,單晶將完全抑制這種機制,因為樣品不會有任何晶界。

    另一種方法是通過添加沉淀物來強化晶界。位于晶界的小析出物可以釘住晶界并防止晶粒相互滑動。然而,并非所有的析出物在邊界處都是合乎需要的。大的析出物可能對晶界釘扎產生相反的影響,因為它允許晶粒之間有更多的間隙或空位來容納析出物,從而降低了釘扎效應。

    GBS在高強度鋼中的建模效果

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    高強度的應用在當今工程界無處不在。為了為現實世界的建筑提供堅實的工程基礎,高強度鋼的建模非常重要。

    通過從兩個溫度輸入高強度鋼的彈性模量、屈服強度、泊松比和比熱等參數,我們可以推導出作為溫度函數的相關GBS能量,從而得出其作為溫度函數的屈服強度。

    實驗研究:基于GBS的超塑性成形技術

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    超塑性成型技術是一種材料變形超過屈服應力以形成復雜形狀的輕質結構的技術。這種現象可能通過位錯滑移/蠕變和擴散蠕變實現的晶界滑動。

    一個例子是商業細晶Al-Mg合金,在超塑性變形的初始階段觀察到異常弱的晶界滑動。通過拉伸試驗,晶粒沿拉伸方向伸長至50~70%。變形是由增加的沉淀貧化區分數、縱向晶界上的顆粒偏析、位錯活動和亞晶粒來協調的。增加的Mg含量導致增加的GBS。將Mg含量從4.8%增加到6.5~7.6%有助于提高溫度過程中晶粒尺寸的穩定性,簡化GBS并降低擴散蠕變貢獻,并將失效應變從300%增加到430%。

    晶界滑動

    鎢絲的應用

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    白熾燈泡中使用的鎢絲的工作溫度約為2000K至3200K,接近鎢的熔點(Tm=3695K)。由于泡預計將在高達0.8的同源溫度下長時間運行,因此了解和防止蠕變機制對于延長其預期壽命至關重要。

    研究人員發現,這些鎢絲失效的主要機制是擴散蠕變引起的晶界滑動。這是因為鎢絲雖然很細,但通常僅由少量細長晶粒組成。事實上,在鎢線圈中每匝通常少于一個晶界。這種細長的顆粒結構通常被稱為竹結構,因為顆粒看起來類似于竹稈的節間。在操作過程中,鎢絲在自身重量的負載下受到應力,并且由于高溫下可能發生的擴散,晶粒開始旋轉和滑動。由于燈絲的變化,這種應力會導致燈絲不均勻下垂,最終在燈絲上引入更多扭矩。正是這種下垂不可避免地導致燈絲破裂,使白熾燈泡無用。這些單線圈燈絲的典型壽命約為440小時。

    為了對抗這種晶界滑動,研究人員開始在鎢絲中摻雜鋁、硅,最重要的是鉀。這種復合材料(AKS鎢)是xxx的,因為它由非合金的鉀和鎢組成。鉀的這一特性導致在適當制造后,液態氣態鉀的納米級氣泡分布在整個燈絲中。這些氣泡與長絲釘扎位錯和最重要的晶界中的所有缺陷相互作用。即使在高溫下釘扎這些晶界,也能顯著減少晶界滑動。這種晶界滑動的減少為這些細絲贏得了非下垂細絲的稱號,因為它們不再在自身重量下彎曲。

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    詞條目錄
    1. 晶界滑動
    2. 雷金格滑動
    3. Lifshitz滑動
    4. 住宿機制
    5. 估計GBS對整體應變的貢獻
    6. 實驗證據
    7. 納米材料
    8. 預防
    9. GBS在高強度鋼中的建模效果
    10. 實驗研究:基于GBS的超塑性成形技術
    11. 鎢絲的應用

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