Investigation of grain boundary dynamics in metals
Final Report Abstract
Der Fokus des Projekts lag auf der Dynamik ausgewählter Korngrenzen unter der Wirkung einer kapillaren bzw. spannungsinduzierten treibenden Kraft. Dafür wurden Al bzw. Cu Bikristalle mit genau definierter kristallographischer Orientierung gezüchtet und das Verhalten der darin enthaltenen Korngrenzen dann in situ mithilfe spezieller Messvorrichtungen in einem REM untersucht. Ebenfalls durchgeführt wurden atomistische Simulationen des Wachstums isolierter Körner in einer Matrix sowie zur Bestimmung der Energie der Korngrenzen. Kleinwinkelkippkorngrenzen mit Drehachse <100> und <110> in Al sowie einige erste <100> Kippkorngrenzen in Cu bewegten sich unter der Wirkung einer mechanischen Spannung. Das Anlegen der Last parallel bzw. unter 45° zur Ebene der Korngrenze führte zu spannungsindizierter Bewegung mit der gleichen Kinetik. Damit wurde die Annahme bestätigt, dass nur die Scherkomponente des Spannungstensors zu einer mechanisch induzierten treibenden Kraft beiträgt. Die spannungsinduzierte Korngrenzenbewegung war immer mit einer Abscherung der Körner entsprechend dem Coupling-Effekt verbunden. Das Verhältnis zwischen Scherung und Bewegung der Korngrenze in Normalrichtung war dabei in exakter Übereinstimmung mit den Voraussagen durch geometrische Modelle. Die Krümmungsgetriebene Bewegung von Σ3 Korngrenzen in Al hing eng mit ihrer inklinationsabhängigen Energie zusammen. Korngrenzen mit stark anisotroper Energie bewegten sich nicht unter dem Einfluss einer kapillaren treibenden Kraft, weil Inklinationen mit minimaler Energie die Korngrenzen entweder in ihrer ursprünglichen Form verbleiben ließen oder zur Bildung unbeweglicher Facetten führten. Hinreichend große Abweichung der Misorientierung von Σ3 führten zu einer von der Inklination weitgehend unabhängigen Energie. Entsprechende Korngrenzen nahmen unter kapillarer treibender Kraft eine gekrümmte Form an und bewegten sich dann gleichförmig weiter. Andererseits bewegten sich die Σ3 Korngrenzen im Allgemeinen nicht unter spannungsinduzierter treibender Kraft. Die einzige Ausnahme stellte eine Σ3 Korngrenze entlang der {110} Ebene dar, deren spannungsinduzierte Bewegung bemerkenswerterweise nicht zu einer Abscherung der Körner führte. Die molekulardynamische Untersuchung isolierter Körner in einer Matrix zeigte einen starken Einfluss der inklinationsabhängigen Korngrenzenenergie auf das Schrumpfungsverhalten. Von reinen Kippkorngrenzen umschlossene Körner nahmen eine facettierte Form an und schrumpften deshalb deutlich langsamer als solche, die teilweise gemischte Korngrenzen mit der Matrix bildeten. Die Bewegung der Kippkorngrenzen führte außerdem zu einer Rotation des schrumpfenden Korns hin zu einem größeren Drehwinkel gegenüber der Matrix. In Zusammenarbeit mit der Universität Toulouse wurden hochauflösende TEM Untersuchungen von Korngrenzen während der Bewegung unter spannungsinduzierter treibender Kraft durchgeführt. Dabei konnte die Bildung mikroskopischer Stufen nachgewiesen werden, die entlang der Korngrenze wanderten und so sukzessive zu einer makroskopischen Bewegung beitrugen.
Publications
- “Effect of inclination dependence of grain boundary energy on the mobility of tilt and non-tilt low angle grain boundaries”, Scripta Mater 68 (2013), 980-983
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L. Barrales-Mora, D.A. Molodov
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