Grain boundary motion under high temperature low cycle deformation : study of mechanism, kinetics and driving force

Badirujjaman, Sayed; Gottstein, Günter

doi:urn:nbn:de:hbz:82-20050366

Grain boundary motion under high temperature low cycle deformation : study of mechanism, kinetics and driving force

Badirujjaman, Sayed (Author)

2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Syed Badirujjaman

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

UmfangXIX, 129 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Gottstein, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-02-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-20050366
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59891/files/Badirujjaman_Syed.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Aluminium (frei) ; Reinstmetall (frei) ; Bikristall (frei) ; Plastische Deformation (frei) ; Zyklische Deformation (frei) ; Korngrenzenwanderung (frei) ; grain boundary motion (frei) ; Aluminium bicrystal (frei) ; driving force (frei) ; cyclic deformation (frei) ; high temperature (frei) ; low cycle fatigue (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die hier vorliegende Studie wurde durchgeführt, um den Mechanismus und die Kinetik von Korngrenzenbewegung während niederzyklischer Belastung unter hoher Temperatur (high temperature low cycle deformation (HT-LCF)) in hochreinen Aluminium-Bikristallen unter zwei verschiedenen zyklischen Deformationsbedingungen zu untersuchen. Der Schwerpunkt des ersten Teils der Studie liegt auf der Antwort der <112> Kippkorngrenze auf zyklische Spannungsbelastung bei hoher Temperatur, bei der Bewegung durch die plastische Spannung der zyklischen Deformation verursacht wird, welche einen Unterschied in der Versetzungsdichte der beiden Körner bewirkt. Dies verursacht eine treibende Kraft für die Bewegung der Grenze. Sowohl für Kleinwinkel- als auch Großwinkelkorngrenzen wurde ein deutlicher Beleg für irreguläre Bewegung beobachtet. Besonders der Unterschied in der Versetzungsdichte auf beiden Seiten der Korngrenze wurde als ursächlich für die Bewegung der Grenze befunden. Korngrenzen mit einer Desorientierung über 13,8° zeigten sich unter zyklischer Deformation beweglich. Es wurde beobachtet, dass die Unterschiede der Gleitdichte (Dfi) und der Schmid-Faktor zwischen den zwei Körnern der deformierten Struktur des Bikristalles die wichtigsten Faktoren zur Berechnung der treibenden Kraft der zyklischen Bewegung der Korngrenzen sind. Größere Spannungen verkleinern die Wahrscheinlichkeit von Korngrenzenbewegung aufgrund der homogenen Deformation der Struktur in den beiden Körnern. Die Ergebnisse dieser Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet die Mechanismen und kinetischen Studien der Korngrenzenbewegung unter völlig elastischen Spannungsamplituden bei erhöhter Temperatur, welche eine Abschätzung der Aktivierungsparameter für solche zyklischen Bewegungen erlauben. Zu diesem Zweck wurden Bikristalle mit symmetrischer <112> und <100> Kipp- sowie <100> Drehkorngrenze mit Desorientierungswinkeln zwischen 7° und 42° gezüchtet. Es zeigte sich, dass der Charakter der Verschiebung von <112> und <100> Kippkorngrenzen unterschiedlich für verschiedene Geometrien ist. Zugleich war die Bewegung der <100> Drehkorngrenzen ihrer Natur nach völlig anders als die Bewegung der <100> Kippkorngrenzen. Die Aktivierungsenergien wurden aus der Steigung des Graphen aus „Bewegung pro Zyklus“ über verschiedenen Temperaturen berechnet. Beispielsweise war der Wert in dieser Arbeit im Bereich von 13,6° bis 15,5° von <112>, im Vergleich zu 13,6° in den vorherigen Experimenten [30-32]. Ebenso wurde für den Fall von <100> Kippkorngrenzen der Übergangswinkel der Desorientierung zwischen Kleinwinkel- und Großwinkelkorngrenzen im Bereich von 7,8° bis 11,7° abgeschätzt, wohingegen ein Desorientierungswinkel von 8,6° ± 0,15° für rein schubspannungsinduzierte Korngrenzenbewegung abgeschätzt wurde[33]. Jedoch war es aufgrund der beschränkten Anzahl von Proben schwierig den Übergangswinkel zwischen Kleinwinkel- und Großwinkelkorngrenzen von Drehkorngrenze zu ermitteln, vor allem unter Beachtung der gemessenen Aktivierungsenergie. Die treibenden Kräfte für die Bewegung der <112> und <100> Kippkorngrenzen wurden unter zu Hilfenahme eines Versetzungsdynamik-Ansatzes berechnet, in der Annahme, dass die Korngrenzenbewegung grundsätzlich durch die Bewegung der Stufenversetzung kontrolliert wird. Die Bildung von Spuren, wie sie auf der Probenoberfläche während der zyklischen Bewegung entstand, zeigte sich stark abhängig von der Richtung der auf Versetzungen wirkenden Kraft und nicht von der Art der Deformation. Gleichermaßen wurde der Mechanismus der Bewegung der <100> Drehkorngrenze in Form der Bewegung von strukturellen Schraubenversetzungen bei Quergleiten diskutiert. Der Beitrag des Gleitanteils und des Bewegungsanteils während der gesamten Grenzbewegung kann näherungsweise durch die auf die Versetzungen wirkende Kraft während der Deformation vorhergesagt werden.

The present study was performed to investigate the mechanism and kinetics of grain boundary motion during high temperature low cycle deformation (HT-LCF) of high purity aluminium bicrystals under two distinct conditions of cyclic deformation. The first part of the study emphasises the high temperature cyclic stress response of <112> tilt grain boundaries where motion was caused by a plastic stress of cyclic deformation, which generates a difference in dislocation density of the two grains, these causes a driving force for boundary motion. Grain boundaries with misorientation angle above 13.8° were found to be mobile under cyclic deformation conditions. The differences of slip density (Dfi) and Schmid factors between the two grains of the deformed structures of bicrystal were observed most accountable for indexing of driving force. Larger stress reduces the chance for grain boundary motion due to homogeneous deformation structure in the two grains. The second part of this work includes the mechanism and kinetics during the motion of <112> and <100> tilt and <100> twist symmetrical grain boundaries under completely elastic amplitude of stress at elevated temperatures, which permits an estimation of the activation parameters for such cyclic motion. Irrespective of geometry, two sharp regions of misorientation angle dependence of activation energies were estimated during the motion <112> and <100> tilt boundaries. For instance, in the present study it was in the range of 13.6° to 15.5° for <112> and 7.8° to 11.7° for <100> boundaries, which is comparable to the previous experiments [30-32]. However, transition angle between low angle and high angle grain boundary was difficult to establish for twist boundary motion, especially with regard to the measured activation energy due to a limited number of samples. Driving forces for motion of <112> and <100> tilt boundaries were calculated by using dislocation dynamics approach, assuming that the grain boundary motion is basically controlled by the movement of structural edge dislocations. Formation of trace-marks as observed on the sample surfaces during cyclic motion was found strongly dependent on the direction of force acting on dislocations rather than the mode of deformation. Similarly, the mechanism of the <100> twist boundary motion has been discussed with in terms of the movement of structural screw dislocations by cross slip. Mechanism models with respect to driving force for the motion of grain boundaries have also been discussed. A relation between normal stress and shear stress were established in terms of the dislocation arrangement of the grain boundary. The contribution of sliding part and movement part during the entire boundary motion can approximately be predicted by the force acting on dislocation during deformation.

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