On kinetics and thermodynamics of high angle grain boundaries in aluminium : experimental study on grain boundary properties in bi- and tricrystals

Ivanov, Vladimir A.; Gottstein, Günter

doi:27471

On kinetics and thermodynamics of high angle grain boundaries in aluminium : experimental study on grain boundary properties in bi- and tricrystals = Kinetik und Thermodynamik von Großwinkelkorngrenzen in Aluminium : experimentelle Untersuchung der Korngrenzeneigenschaften in Bi- und Trikristallen

Ivanov, Vladimir A.

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Vladimir A. Ivanov

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangIX, 155 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Gottstein, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-01-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-16796
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61548/files/Vladimir_Ivanov.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Aluminium (frei) ; Kornwachstum (frei) ; Korngrenzenwanderung (frei) ; Bikristall (frei) ; Korngrenze (frei) ; Tripelpunkt (frei) ; Beweglichkeit (frei) ; Grain boundary (frei) ; Triple junction (frei) ; Mobility (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Diese Arbeit beinhaltet experimentelle Untersuchungen zur Korngrenzenbewegung und Korngrenzenstruktur. Die Abhängigkeit der Korngrenzen- und Tripelpunktbeweglichkeit von dem Korngrenzencharakter (Desorientierung zwischen zwei angrenzenden Körnern und Inklination der Korngrenze), der Temperatur und der Konzentration der Fremdatome wurde untersucht. Eine neue thermodynamische Methode zur Bestimmung des freien Volumens einer Korngrenze wurde vorgestellt. Die Experimente wurden an speziell aus dem hochreinem Al gezüchteten Bi- und durchgeführt. 1) Die stationäre Bewegung der gekrümmten <111> Korngrenzen wurde an Al-Bikristallen untersucht. Dabei wurden die Korngrenzengeschwindigkeit und die Korngrenzenform gemessen. Zwei Typen von Experimenten wurden durchgeführt: an der Kippkorngrenzen und an der gemischten Korngrenzen. Die gekrümmte Kippkorngrenze bestand aus mehreren Korngrenzenebenen (Kippkomponenten). Die gekrümmte gemischte Korngrenze bestand aus Kipp- und Drehkomponenten. Dabei ändert sich der Charakter der gemischten Korngrenze von einer reinen Kippkorngrenze zu einer reinen Drehkorngrenze. Die Ergebnisse lassen sich zusammenfassen: die Zusammenstellung der gekrümmten Kippkorngrenze (aus verschiedenen Kippkomponenten) hat keinen Effekt auf die stationäre Bewegung solcher Korngrenzen; der gemischte Charakter der <111> Korngrenze hat auch keinen wesentlichen Effekt auf die stationäre Bewegung. 2) Die Wechselwirkung zwischen der sich bewegenden Korngrenze und der freien Oberflächen wurde in Al-Bikristallen untersucht. Die Bewegung der gekrümmten Korngrenzen wurde gemessen. Die Ergebnisse wurden in Betracht auf die Abhängigkeit der Korngrenzengeschwindigkeit von der treibenden Kraft und der eigenen Beweglichkeit des Oberflächentripelpunktes diskutiert. Durch diese Ergebnisse wurde bestätigt, dass für eine <111> Korngrenze die Korngrenzenbewegung nur durch die Korngrenzengeschwindigkeit bestimmt wird und es keinen bremsenden Effekt vom Oberflächentripelpunkt gibt. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Anisotropie der Oberflächenenergie einen wesentlichen Effekt auf die Korngrenzenbewegung in Bikristallen haben kann. 3) Die stationäre Bewegung des Korngrenzensystems mit einem Tripelpunkt wurde in Al-Trikristallen aus Al-Mg-Legierungen mit einer Mg-Konzentration von 0.2 bis 1000 Gewichts-ppm gemessen. Die Auswirkung von Mg-Atomen auf die Tripelpunkt- und Korngrenzenbewegung wurde betrachtet. Es wurde gezeigt, dass die Korngrenzenbeweglichkeit im starken Maße von der Mg-Konzentration abhängt. Für kleine Konzentrationen (0.2 - 100 Gewichts-ppm) gilt die Theorie von Lücke und Detert um die Wechselwirkung zwischen den Fremdatomen und der sich bewegenden Korngrenze zu beschreiben. Für höhere Konzentrationen stimmt diese Theorie nicht mehr. Abschließend wurde gezeigt, dass die Tripelpunktbeweglichkeit mit der steigenden Mg-Konzentration stärker als die Korngrenzenbeweglichkeit sinkt. Daher erscheint die Schlussfolgerung, dass der Bremseffekt des Tripelpunktes mit dem steigenden Mg-Inhalt zunimmt. 4) Das freie Volumen einer 40° <111> Korngrenze mit einem 2° Drehanteil wurde gemessen. Dabei wurde eine neue thermodynamische Methode zur Bestimmung des freien Volumens benutzt. Nach der Gibbs-Adsorption-Gleichung kann die Autoadsoption (und das freie Volumen) aus der Abhängigkeit der Korngrenzenenergie vom hydrostatischen Druck berechnet werden. Die Experimente wurden an Al-Trikristallen durchgeführt. Der Kontaktwinkel am Tripelpunkt ist durch die Energiebilanz definiert und hängt von dem hydrostatischen Druck ab. Aus der Kontaktwinkel-Druck-Abhängigkeit wurde die Änderung der Korngrenzenenergie sowie das freie Volumen einer Korngrenze bestimmt. Das freie Volumen beträgt 6.4E-11 m3/m2.

In this work, experimental study on grain boundary migration and grain boundary structure has been performed. The dependence of grain boundary (GB) and triple junction (TJ) migration on grain boundary character (disorientation between the grains and inclination of the boundary plane), temperature, and purity was studied. A new method for experimental measuring the grain boundary excess free volume was designed. Experiments were carried out on specially grown bi- and tricrystals of Al of high purity. 1) The motion of curved <111> grain boundaries was studied in Al-bicrystals. The rate of grain boundary displacement and the shape of the moving GB were measured. Two types of boundaries were investigated: curved tilt GBs containing different sets of boundary planes (elements) and curved mixed GBs which consist of tilt and twist elements. Experiments on the tilt GBs revealed that their steady-state motion is not affected by changing the inclination of the boundary elements in the moving boundary. Experiments on the mixed <111> GBs showed non-monotonic dependence of the grain boundary mobility on the angle of misorientation. This dependence is very similar to that discovered in the past for pure tilt <111> GBs. These results allows concluding that the character of boundary, tilt or mixed (tilt-twist), does not affect the motion of the curved <111> GBs. 2) The interaction between the moving GB and the external sample surface was studied in Al-bicrystals. The motion of curved GBs. was studied. The effect of the surface triple junction was studied in terms of the dynamic equilibrium of boundary and surface triple junction velocity. The obtained linear relationship between the boundary velocity and the driving force allows concluding that the migration of <111> GBs is determined by the boundary mobility, and is not affected by the surface triple junction. The impact of anisotropy of the external surface on the GB motion was also studied. Results demonstrated that the motion of curved GBs in samples with a strong anisotropy of the external surface cannot be described by the existing steady-state model of GB migration.3) The steady-state motion of connected GBs (grain boundaries with a triple junction) was studied in Al-tricrystals with different concentrations of Mg (0.2 - 1000 wt. ppm). The effect of Mg-atoms on grain boundary and triple junction mobilities was measured. It was shown that at the low concentration of Mg (0.2-100 wt. ppm) the impurity drag theory of Lücke and Detert is valid, at the higher concentration of Mg – the dependence of grain boundary mobility on impurity concentration cannot by described by this theory. It was also shown that the dragging influence of triple junctions intensifies with increasing the concentration of Mg. 4) A new method to measure the excess free volume of grain boundaries is designed. It is based on the Gibbs adsorption equation, which relates the energy of GB and the autoadsorption. The dependence of the grain boundary energy on the pressure was measured in Al-tricrystals at high gas pressure. The measured contact angle between the boundaries reflects the balance of their energies and the pressure dependence of the energy. The excess free volume was determined for 40° <111> tilt GBs with a 4° twist component and was found to be 6.4E-11 m3/m2.

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