Efecto del Plano de la Frontera de Grano en el Estudio de Redes de Fronteras de Grano con Consistencia Cristalográfica

Abstract

Uno de los objetivos fundamentales en el campo de la ingeniería y ciencia de materiales es la optimización de la microestructura de un material con el fin de mejorar sus propiedades. Las fronteras de grano son los defectos cristalinos más largos que se conocen, por lo que representan uno de los elementos más importantes en la microestructura de un material. La conectividad y topología de las fronteras de grano determinan el comportamiento de una gran variedad de fenómenos intergranulares y transgranulares. Además, diversos estudios experimentales han evidenciado que el plano de la frontera de grano juega un papel determinante en las propiedades las fronteras; sin embargo, esta variable no ha sido muy tomada en cuenta al momento de desarrollar simulaciones computacionales. Por lo anterior, en el presente trabajo se realizaron simulaciones computacionales con el fin de estudiar, cualitativa y cuantitativamente, la conectividad y topología de las redes de fronteras de grano de diferentes microestructuras, considerando el plano de la frontera de grano. Mediante un análisis topológico se pudo observar que las fronteras de grano tienden a distribuirse espacialmente de una manera determinada de acuerdo a sus propiedades estructurales, evidenciando la presencia de correlaciones impuestas por restricciones cristalográficas. Este comportamiento también se evidenció cuantitativamente en la determinación de la distribución de junturas triples, los umbrales de percolación y el comportamiento de escalamiento de algunas propiedades de las redes de fronteras de grano. Adicionalmente, con el fin de mostrar un ejemplo de la aplicabilidad del modelo desarrollado, éste se usó para estudiar la liberación de gas de fisión en combustibles nucleares, donde se obtuvieron parámetros que pueden ser tenidos en cuenta en el diseño y procesamiento de este tipo de materiales (Texto tomado de la fuente)

One of the major goals of material science and engineering is optimizing the material microstructure in order to enhance its properties. Grain boundaries are the longest known crystal defects; therefore, they represent one of the most important elements in the material microstructure. The connectivity and topology of the grain boundaries control the behavior of different kind of intergranular and transgranular phenomena. Also, different experimental works have shown that the grain boundary plane plays an important role in the grain boundary properties; however, this variable has not been taken into account in the development of most computational models. Therefore, in the present work computational simulations were made in order to study, not only qualitatively but also quantitatively, the connectivity and topology of grain boundary networks from different microstructures, considering the grain boundary plane. Through topology analysis, it was observed that grain boundaries tend to distribute spatially accordingly to their structural properties, which shows the presence of correlations imposed by crystallographic constraints. This behavior was quantitatively shown in the determination of the triple junction distribution, the percolation thresholds and the scaling behavior of some grain boundary network properties. Additionally, in order to include an example of the applicability of the developed model, it was used to study fission gas release in nuclear fuels, where some parameters that could be taken into account in the design and processing of these kind of materials were obtained