Dislocation and grain boundary interactions in metals
Abstract
The passage of dislocations through grain boundaries in face centered cubic and body centered cubic polycrystalline metals was studied using dynamic in situ high voltage electron microscopy (HVEM), static transmission electron microscopy (TEM), and anisotropic elastic stress analysis. Several conclusions were reached: (1) when dislocations propagate across grain boundaries, the activated slip system can be predicted from pile-up properties and grain boundary orientation using a combined criterion based on boundary geometric factors and internal stresses; (2) different grain boundaries impede dislocation slip propagation to different degrees, the calculated value of the pile-up obstacle stress varying from 280 to 870 MPa for dislocation transmission through a grain boundary in 304 stainless steel; (3) dynamic in situ straining of miniature tensile specimens reveals additional modes of dislocation and grain boundary interactions that were hidden from static TEM observations. In connection with the last conclusion, simultaneous dislocation transmission and reflection was activated by a stressed pile-up and a complex mechanism involving coordinated movements of four sets of dilocations in and near a grain boundary was observed.
Résumé
Nous avons étudié la traversée des joints de grains par des dislocations dans les métaux polycristallins cfc et ce, à l'aide de la microscopie électronique à haute tension in-situ dynamique, de la microscopic électronique en transmission statique et de l'analyse des contraintes élastiques en théorie anisotrope. Nous en déduisons les points suivants: (1) Quand les dislocations traversent les joints de grains, on peut prédire le système de glissement activé à partir des propriétés des empilements et de l'orientation des joints de grains, en utilisant un critère combiné basé sur les facteurs géométriques du joint et sur les contraintes internes; (2) les différents joints de grains freinent différemment la propagation des dislocations par glissement; ainsi, dans le cas d'un joint de grains dans l'acier inoxydable 304, la valeur calculée de la contrainte d'obstacle d à l'empilement varie entre 280 et 870 MPa; (3) la déformation dynamique in -situ de microéprouvettes de traction révèle des modes supplémentaires d'interaction dislocations/joint de grains que l'on ne pouvait observer dans les examens statiques par MET. En rapport avec le dernier point, nous avons observé ['activation simultanée de la transmission et de la réflexion des dislocations par un empilement sous contrainte, ainsi qu'un mécanisme complexe supposant le mouvement coordonné de quatre familles de dislocations dans un joint de grains et à son voisinage.
Zusammenfassung
Der Weg von Versetzungen durch Korngrenzen in kubisch flächenzentrierten und kubisch raumzentrierten polykristallinen Metallen wurde mit dynamischer Untersuchung in-situ im Hochspannungselektronenmikroskop, statisch im Durchstrahlungselektronenmikroskop und mit der Analyse der Anisotropie der elastischen Spannungen untersucht. Hierbei ergaben sich einige Schluβfolgerungen: (1) Durchqueren Versetzungen Korngrenzen, dann kann das aktivierte Gleitsystem aus den Eigenschaften der Aufstauungen und der Korngrenzorientierung bestimmt werden, wenn ein kombiniertes Kriterium auf der Basis von Geometriefaktoren der Korngrenze und von inneren Spannungen benutzt wird; (2) unterschiedliche Korngrenzen behindern die Ausbreitung der Gleitung verschieden stark, wobei die berechnete Spannung der Aufstauung am Hindernis, bei der Versetzungen in rostfreiem Stahl 304 die Korngrenze passieren, zwischen 280 und 870 MPa variiert; (3) dynamische in -situ -Verformung der kleinen Zugproben weist auf andere Arten der Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Korngrenzen hin, die bei der statischen Durchstrahlungselektronenmikroskopie nicht gesehen worden sind. Im Zusammenhang mit dieser letzten Folgerung wurde insbesondere beobachtet, daβ eine Aufstauung gleichzeitig Versetzungstransmission und -reflektion erzeugt; dadurch ergibt sich ein komplexer Mechanismus, bei dem vier Sätze von Versetzungen sich in der Korngrenze und in ihrer Nähe koordiniert bewegen.
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