Fortalecimento do limite de grãos - Grain boundary strengthening

Figura 1: O fortalecimento de Hall-Petch é limitado pelo tamanho das luxações. Quando o tamanho do grão atinge cerca de 10 nanômetros (3,9 × 10 ^-7  in), os limites dos grãos começam a deslizar.

O fortalecimento da borda do grão (ou fortalecimento Hall-Petch ) é um método de fortalecer os materiais alterando seu tamanho médio de cristalito (grão). É baseado na observação de que os limites dos grãos são fronteiras intransponíveis para deslocamentos e que o número de deslocamentos dentro de um grão tem um efeito sobre como a tensão se acumula no grão adjacente, o que acabará ativando fontes de deslocamento e, assim, permitindo a deformação no grão vizinho , também. Portanto, ao alterar o tamanho do grão, pode-se influenciar o número de deslocamentos acumulados no limite do grão e a resistência ao escoamento . Por exemplo, o tratamento térmico após a deformação plástica e a alteração da taxa de solidificação são maneiras de alterar o tamanho do grão.

Teoria

No fortalecimento dos limites dos grãos , os limites dos grãos atuam como pontos de fixação, impedindo a propagação do deslocamento posterior. Uma vez que a estrutura de rede dos grãos adjacentes difere na orientação, é necessário mais energia para que um deslocamento mude de direção e se mova para o grão adjacente. O contorno do grão também é muito mais desordenado do que dentro do grão, o que também evita que os deslocamentos se movam em um plano de deslizamento contínuo. Impedir esse movimento de deslocamento impedirá o início da plasticidade e, portanto, aumentará a resistência ao escoamento do material.

Sob uma tensão aplicada, os deslocamentos e deslocamentos existentes gerados por fontes Frank-Read se moverão através de uma rede cristalina até encontrar um limite de grão, onde a grande incompatibilidade atômica entre diferentes grãos cria um campo de tensão repulsiva para se opor ao movimento de deslocamento contínuo. À medida que mais deslocamentos se propagam para este limite, o deslocamento "acumula-se" ocorre porque um grupo de deslocamentos é incapaz de se mover além do limite. Como os deslocamentos geram campos de tensão repulsiva, cada deslocamento sucessivo aplicará uma força repulsiva ao incidente de deslocamento com o limite de grão. Essas forças repulsivas atuam como uma força motriz para reduzir a barreira energética para difusão através da fronteira, de modo que o empilhamento adicional causa difusão de deslocamento através da fronteira do grão, permitindo deformação adicional no material. A diminuição do tamanho do grão diminui a quantidade de possível empilhamento no limite, aumentando a quantidade de tensão aplicada necessária para mover um deslocamento através de um limite de grão. Quanto maior for a tensão aplicada necessária para mover o deslocamento, maior será a resistência ao escoamento. Portanto, há uma relação inversa entre o tamanho do grão e a resistência ao escoamento, conforme demonstrado pela equação de Hall-Petch. No entanto, quando há uma grande mudança de direção na orientação dos dois grãos adjacentes, o deslocamento pode não necessariamente passar de um grão para o outro, mas, em vez disso, criar uma nova fonte de deslocamento no grão adjacente. A teoria permanece a mesma de que mais limites de grãos criam mais oposição ao movimento de deslocamento e, por sua vez, fortalece o material.

Obviamente, há um limite para este modo de reforço, pois não existem materiais infinitamente fortes. Os tamanhos dos grãos podem variar de cerca de 100 μm (0,0039 pol.) (Grãos grandes) a 1 μm (3,9 × 10 ⁻⁵  pol.) (Grãos pequenos). Abaixo disso, o tamanho dos deslocamentos começa a se aproximar do tamanho dos grãos. Em um tamanho de grão de cerca de 10 nm (3,9 × 10 ^-7  pol.), Apenas um ou dois deslocamentos podem caber dentro de um grão (consulte a Figura 1 acima). Este esquema proíbe o empilhamento por deslocamento e, em vez disso, resulta na difusão dos limites do grão . A rede resolve a tensão aplicada pelo deslizamento do contorno do grão, resultando em uma diminuição na resistência ao escoamento do material.

Para entender o mecanismo de fortalecimento dos limites de grãos, deve-se entender a natureza das interações deslocamento-deslocamento. Os deslocamentos criam um campo de tensão em torno deles, dado por:

${\ displaystyle \ sigma \ propto {\ frac {Gb} {r}},}$

onde G é o módulo de cisalhamento do material , b é o vetor de Burgers e r é a distância do deslocamento. Se os deslocamentos estiverem no alinhamento correto entre si, os campos de tensão locais que eles criam se repelirão. Isso ajuda no movimento de deslocamento ao longo dos grãos e através dos limites dos grãos. Portanto, quanto mais deslocamentos estiverem presentes em um grão, maior será o campo de tensão sentido por um deslocamento perto de um limite de grão:

${\ displaystyle \ tau _ {\ text {felt}} = \ tau _ {\ text {aplicado}} + n _ {\ text {deslocamento}} \ tau _ {\ text {deslocamento}} \,}$

Este é um esquema que ilustra aproximadamente o conceito de empilhamento por deslocamento e como isso afeta a resistência do material. Um material com tamanho de grão maior é capaz de acumular mais deslocamentos, levando a uma maior força motriz para que os deslocamentos se movam de um grão para outro. Portanto, você terá que aplicar menos força para mover um deslocamento de um grão maior do que de um grão menor, fazendo com que materiais com grãos menores exibam maior tensão de escoamento.

Reforço do subgrão

Um subgrão é uma parte do grão que está apenas ligeiramente desorientada de outras partes do grão. A pesquisa atual está sendo feita para ver o efeito do reforço do subgrão nos materiais. Dependendo do processamento do material, subgrãos podem se formar dentro dos grãos do material. Por exemplo, quando o material à base de Fe é moído em moinho de bolas por longos períodos (por exemplo, mais de 100 horas), são formados subgrãos de 60–90 nm. Foi demonstrado que quanto maior a densidade dos subgrãos, maior a tensão de escoamento do material devido ao aumento do limite do subgrão. A resistência do metal foi encontrada para variar reciprocamente com o tamanho do subgrão, que é análogo à equação de Hall-Petch. O reforço do limite do subgrão também tem um ponto de ruptura de cerca de um tamanho de subgrão de 0,1 µm, que é o tamanho em que qualquer subgrão menor que esse tamanho diminuiria a resistência ao escoamento.

Relação Hall-Petch

Há uma relação inversa entre o limite de escoamento delta e o tamanho do grão para alguma potência, x .

${\ displaystyle \ Delta \ tau \ propto {k \ over d ^ {x}}}$

onde k é o coeficiente de reforço e k e x são específicos do material. Assumindo uma distribuição de tamanho de grão monodispersa estreita em um material policristalino, quanto menor o tamanho de grão, menor a tensão de repulsão sentida por um deslocamento de contorno de grão e maior a tensão aplicada necessária para propagar deslocamentos através do material.

A relação entre a tensão de escoamento e o tamanho do grão é descrita matematicamente pela equação de Hall-Petch:

${\ displaystyle \ sigma _ {\ text {y}} = \ sigma _ {0} + {k _ {\ text {y}} \ over {\ sqrt {d}}}}$

onde σ _y é a tensão de escoamento, σ ₀ é uma constante de materiais para a tensão inicial para o movimento de deslocamento (ou a resistência da rede ao movimento de deslocamento), k _y é o coeficiente de reforço (uma constante específica para cada material) e d é o diâmetro médio do grão. É importante notar que a relação HP é um ajuste empírico aos dados experimentais, e que a noção de que um comprimento de empilhamento de metade do diâmetro do grão causa uma tensão crítica para transmissão ou geração em um grão adjacente não foi verificada por observação real na microestrutura.

Teoricamente, um material poderia se tornar infinitamente forte se os grãos fossem infinitamente pequenos. No entanto, isso é impossível, porque o limite inferior do tamanho do grão é uma única célula unitária do material. Mesmo assim, se os grãos de um material são do tamanho de uma única célula unitária, então o material é de fato amorfo, não cristalino, uma vez que não há ordem de longo alcance e deslocamentos não podem ser definidos em um material amorfo. Foi observado experimentalmente que a microestrutura com maior limite de escoamento é um tamanho de grão de cerca de 10 nm (3,9 × 10 ^-7  pol.), Porque grãos menores do que este passam por outro mecanismo de escoamento, o deslizamento do contorno do grão . Produzir materiais de engenharia com esse tamanho de grão ideal é difícil porque apenas filmes finos podem ser produzidos de forma confiável com grãos desse tamanho. Em materiais com distribuição de tamanho de grão bi-dispersa, por exemplo aqueles que exibem crescimento anormal de grão , os mecanismos de endurecimento não seguem estritamente a relação Hall-Petch e comportamento divergente é observado.

História

No início da década de 1950, duas séries de artigos inovadores foram escritos independentemente sobre a relação entre limites de grãos e resistência.

Em 1951, enquanto estava na Universidade de Sheffield, EO Hall escreveu três artigos que apareceram no volume 64 dos Proceedings of the Physical Society . Em seu terceiro artigo, Hall mostrou que o comprimento das bandas de deslizamento ou os comprimentos das rachaduras correspondem aos tamanhos dos grãos e, portanto, uma relação pode ser estabelecida entre os dois. Hall concentrou-se nas propriedades de rendimento dos aços macios .

Com base em seu trabalho experimental realizado em 1946–1949, NJ Petch, da University of Leeds , Inglaterra , publicou um artigo em 1953 independente do de Hall. O artigo de Petch concentrava-se mais na fratura frágil . Ao medir a variação na resistência à clivagem em relação ao tamanho do grão ferrítico em temperaturas muito baixas, Petch encontrou uma relação exata com a de Hall. Portanto, este importante relacionamento recebeu o nome de Hall e Petch.

Relação Hall-Petch reversa ou inversa

A relação Hall-Petch prevê que à medida que o tamanho do grão diminui, a resistência ao escoamento aumenta. A relação Hall-Petch foi experimentalmente considerada um modelo eficaz para materiais com granulometria variando de 1 milímetro a 1 micrômetro. Consequentemente, acreditava-se que se o tamanho médio do grão pudesse ser reduzido ainda mais para a escala de comprimento nanométrico, a resistência ao escoamento também aumentaria. No entanto, as experiências com diversos materiais nanocristalinos demonstrado que se os grãos atingiram um tamanho suficientemente pequeno, o tamanho de grão crítico que é tipicamente cerca de 10 nm (3,9 x 10 ^-7  a), a resistência ao escoamento se ou permanecer constante ou diminuir com a diminuição do tamanho de grãos . Este fenômeno foi denominado relação Hall-Petch reversa ou inversa. Vários mecanismos diferentes foram propostos para essa relação. Conforme sugerido por Carlton et al. , eles se enquadram em quatro categorias: (1) baseado em deslocamento, (2) baseado em difusão, (3) baseado em cisalhamento de contorno de grão, (4) baseado em duas fases.

Vários trabalhos foram feitos para investigar o mecanismo por trás da relação inversa de Hall-Petch em vários materiais. No trabalho de Han, uma série de simulações de dinâmica molecular foram feitas para investigar o efeito do tamanho do grão nas propriedades mecânicas do grafeno nanocristalino sob carga de tração uniaxial, com formas e orientações aleatórias de anéis de grafeno. A simulação foi executada em tamanhos de grão de nm e em temperatura ambiente. Verificou-se que na faixa de tamanho de grão de 3,1 nm a 40 nm, foi observada relação inversa de Hall-Petch. Isso ocorre porque quando o tamanho do grão diminui na escala nm, há um aumento na densidade das junções de contorno de grão que servem como uma fonte de crescimento de fissuras ou ligação fraca. No entanto, também foi observado que no tamanho de grão abaixo de 3,1nm, uma relação pseudo Hall-Petch foi observada, o que resulta em um aumento na resistência. Isto é devido a uma diminuição na concentração de tensão das junções de contorno de grão e também devido à distribuição de tensões de 5-7 defeitos ao longo do contorno de grão onde as tensões de compressão e tração são produzidas pelos anéis de pentágono e heptágono, etc. Chen at al. fizeram pesquisas sobre as relações inversas de Hall-Petch de ligas de alta entropia CoNiFeAlxCu1-x. No trabalho, modelos policristalinos de FCC estruturados com CoNiFeAl0.3Cu0,7 com tamanhos de grão variando de 7,2 nm a 18,8 nm foram construídos para realizar compressão uniaxial usando simulações de dinâmica molecular. Todas as simulações de compressão foram feitas após definir as condições de contorno periódicas nas três direções ortogonais. Verificou-se que quando o tamanho do grão está abaixo de 12,1 nm, a relação Hall-Petch inversa foi observada. Isso ocorre porque, à medida que o tamanho do grão diminui, os deslocamentos parciais se tornam menos proeminentes e, portanto, à medida que a geminação de deformação. Em vez disso, foi observado que há uma mudança na orientação do grão e a migração dos contornos dos grãos e, portanto, causa o crescimento e encolhimento dos grãos vizinhos. Esses são os mecanismos para as relações inversas de Hall-Petch. Sheinerman et al. também estudou a relação Hall-Petch inversa para cerâmicas nanocristalinas. Verificou-se que o tamanho de grão crítico para a transição de Hall-Petch direto para Hall-Petch inverso depende fundamentalmente da energia de ativação do deslizamento do contorno de grão. Isso ocorre porque no Hall-Petch direto o mecanismo de deformação dominante é o movimento de deslocamento intragrain, enquanto que no Hall-Petch inverso o mecanismo dominante é o deslizamento do contorno do grão. Concluiu-se que traçando a fração volumétrica do deslizamento do contorno do grão e a fração volumétrica do movimento de deslocamento intragrain como uma função do tamanho do grão, o tamanho crítico do grão poderia ser encontrado onde as duas curvas se cruzam.

Outras explicações que foram propostas para racionalizar o amolecimento aparente de metais com grãos nanométricos incluem a baixa qualidade da amostra e a supressão de acumulações de deslocamento.

O acúmulo de deslocamentos nos limites dos grãos é um mecanismo característico da relação Hall-Petch. Uma vez que os tamanhos dos grãos caem abaixo da distância de equilíbrio entre os deslocamentos, esta relação não deve mais ser válida. No entanto, não está totalmente claro qual deve ser exatamente a dependência da tensão de escoamento nos tamanhos de grãos abaixo desse ponto.

Refinamento de grãos

O refinamento de grãos, também conhecido como inoculação , é o conjunto de técnicas utilizadas para implementar o fortalecimento dos limites dos grãos na metalurgia . As técnicas específicas e os mecanismos correspondentes variam de acordo com os materiais que estão sendo considerados.

Um método para controlar o tamanho do grão em ligas de alumínio é através da introdução de partículas para servir como nucleantes, como Al – 5% Ti. Os grãos crescerão por nucleação heterogênea ; isto é, para um determinado grau de subresfriamento abaixo da temperatura de fusão, as partículas de alumínio no fundido irão nuclear na superfície das partículas adicionadas. Os grãos crescerão na forma de dendritos crescendo radialmente longe da superfície do nucleante. Partículas de soluto podem então ser adicionadas (chamadas refinadores de grãos) que limitam o crescimento de dendritos, levando ao refinamento de grãos. As ligas de Al-Ti-B são o refinador de grãos mais comum para ligas de Al; no entanto, novos refinadores, como Al ₃ Sc, foram sugeridos.

Uma técnica comum é induzir uma fração muito pequena do fundido a solidificar a uma temperatura muito mais alta do que o resto; isso irá gerar cristais-semente que atuam como um modelo quando o resto do material cai para sua temperatura de fusão (mais baixa) e começa a se solidificar. Uma vez que um grande número de minúsculos cristais de semente está presente, um número quase igual de cristalitos resulta, e o tamanho de qualquer grão é limitado.

Veja também

• Mecanismos de fortalecimento de materiais

Referências

Bibliografia

• Smith, William F .; Hashemi, Javad (2006), Foundations of Materials Science and Engineering (4ª ed.), McGraw-Hill, ISBN   978-0-07-295358-9 .

links externos

• Fortalecimento do limite de grão em alumina por impurezas de terras raras
• Mecanismo de reforço de contorno de grão de aços
• Uma caixa de ferramentas Matlab de código aberto para análise de transferência de deslizamento através de limites de grão