Experimental and theoretical study of the shear-coupled garin boundary migration mechanism

• Auteur / Autrice : Armin Rajabzadeh
• Direction : Marc Legros, Frédéric Mompiou, Nicolas Combe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Joints de grains

Matériaux nanostructurés

Mots clés libres

Plasticité

Matériaux nanocristallins

Joint de grains

MET in-situ

Simulations atomistiques

Nudgets elastic band

Résumé

La déformation plastique des matériaux est généralement induite par le déplacement de dislocations. Cependant dans les matériaux nanocristallins, ces déplacements sont inhibés et les mouvements des joints de grains jouent alors un rôle important dans la plasticité. La migration des joints de grains couplée au cisaillement est un mécanisme efficace mis en évidence lors de sollicitations mécaniques dans différents matériaux: le joint de grains se déplace perpendiculairement a son plan en réponse a une contrainte de cisaillement. Malgré de nombreux efforts expérimentaux et théoriques ces dernières années, les mécanismes élémentaires de la migration des joints de grains couplée au cisaillement restent méconnus. Le présent travail se propose d'étudier expérimentalement par microsopie électronique en transmission (MET) et théoriquement par simulation atomistique ces mécanismes élémentaires. Des expériences de traction in-situ en MET portant sur des bicristaux d'Aluminium chauffés à 400C montrent qu'un joint de grains S41<001>{540} se déplace par le mouvement collectif des macro-marches le long de l'interface. Ces macro-marches sont caractérisées par la mesure de leur déformation. Cette déformation peut comporter à la fois une composante parallèle (couplée au cisaillement) et une composante perpendiculaire à l'interface (montée). Différentes macromarches caractérisées par différentes déformations ont été observées sur un même joint de grains: différents modes de couplage peuvent ainsi permettre à un joint de grains de migrer. Des marches élémentaires, composant vraisemblablement les macro-marches ont été également observées. L'observation par MET haute résolution de ces marches élémentaires a permis de les identifier comme des disconnections. Elles sont caractérisées par leurs hauteurs et leurs vecteurs de Burgers. Des expériences de traction in-situ en MET montrent que des dislocations du réseau se décomposent dans le joint, suggérant un mécanisme possible de création de ces disconnections. Les réactions de décomposition les plus probables ont été analysées pour déterminer la nature des disconnections produites. Les disconnections produites ayant des hauteurs de marches faibles et de faibles Vecteurs de Burgers, si elles sont supposées mobiles, sont caractérisées par des facteurs de couplage en bon accord avec les facteurs de couplage mesurés expérimentalement. La migration des joints de grain couplée au cisaillement est étudiée par simulation atomistique dans un bicristal de Cuivre contenant un joint de grains symétrique S13<001>{320}. Le chemin de moindre énergie lors de la migration est déterminé en utilisant la méthode Nudged Elastic Band. L'évolution du joint de grains lors de sa migration montre la nucléation et le déplacement des marches, identifiées comme des disconnections, en bon accord avec les résultats expérimentaux. La barrière d'énergie pour la nucléation des disconnections est environ 11 fois plus élevée que le barrière d'énergie pour leur déplacement. Ainsi, en l'absence de disconnection pré-existante dans le joint, la nucléation des disconnections est l'étape limitante de la migration du joint de grains couplée au cisaillement.

Contrary to conventional coarse-grained metals where plastic deformation is carried out by intragranular dislocation motion, specific grain boundary-based mechanisms are involved in deformation of nanocrystalline metals. Among them, the shear-coupled grain boundary migration, i. E. The motion of the grain boundary perpendicular to its plane in response to a shear strain, has been found to be efficient to accommodate the deformations observed in several small-grained metals and under different mechanical solicitations. Despite many experimental and theoretical efforts in recent years, the elementary mechanisms of the shear-coupled grain boundary migration are still poorly known. The major purpose of the present work is thus to investigate these elementary processes both experimentally by transmission electron microscopy (TEM) and theoretically by atomistic simulations. In-situ TEM straining experiments on Al bicrystal at 400C show the migration of a S41<001>{540}grain boundary by the collective motion of macro-steps moving along the interface. These macrosteps are characterized by measuring the deformation (related to the coupling factor) that they induce by their motion. This deformation can include both parallel (shear-coupled migration) and perpendicular (involving climb) components to the interface. Moreover, different macrosteps carry different deformations indicating the multiplicity of the possible coupling modes for a given grain boundary. Moving elementary steps, presumably composing the macro-steps are also observed in the grain boundary. By high resolution TEM (HRTEM) observations the elementary steps are identied as disconnections and are characterized by their step heights and Burgers vectors. The TEM in-situ straining experiments at ambient and 400C show also the rapid decompositions of lattice dislocations in the grain boundary, suggesting a possible mechanism for the creation of disconnections. The possible decomposition reactions are hence considered in order to determine the nature of the produced disconnections. The disconnections with small step heights and Burgers vectors and small climb components are thought to be mobile and the potential deformation that they would carry is in agreement with the experimentally measured coupling factors. The shear-coupled grain boundary migration is studied by atomistic simulation in a Cu bicrystal containing a symmetrical S13<001>{320} grain boundary, at 0 K. The minimum energy path (MEP) of the grain boundary migration is determined by the Nudged Elastic Band (NEB) method. The structural evolution of the grain boundary along the MEP shows that the grain boundary migration occurs through the nucleation and motion of grain boundary steps, identified as disconnections, in agreement with experimental observations. The energy barrier for the nucleation of the disconnections is found to be about 11 times larger than the energy barrier for their motion. Hence, in the absence of pre-existing disconnections in the grain boundary, the nucleation of the disconnections is the limiting step of the shear-coupled grain boundary migration.