Assessing the intergranular crack initiation probability of a grain boundary distribution by an experimental misalignment study of adjacent slip systems

Crack initiation at grain boundaries due to blocked slip transfer of dislocations is a main failure mechanism during the fatigue of metals. A quantification of the resistance effect of a grain boundary is needed to assess a textured or texture-free microstructure for fatigue strength. Geometric approaches based on the misalignment of slip systems in adjacent grains are widely used. Hence, we validated the geometric transmission factor of Shen et al. in coarse-grained high-purity aluminum under the assumption that the combination of a large slip activity and a blocked slip at a grain boundary leads to intergranular crack initiation and revealed that a detailed knowledge of the 3D-orientation of the grain boundary is essential. Thereby we gathered information about the 3D-microstructure using FIB-cross-sectioning. Hence it is possible to evaluate potential crack initiation sites for a specific microstructure or to estimate the fatigue strength of a textured microstructure in terms of a crack initiation probability

Definition of a geometric grain boundary resistance to quantify the crystallographic mismatch between neighboring grains

Die Arbeit setzt sich mit der Frage auseinander, wie der Begriff der Fehl- bzw. Mißorientierung zwischen zwei Körnern, durch einen neuen Parameter ersetzt werden kann, der die geometrische Kopplung der benachbarten Gleitsysteme erfassen soll, wie sie durch die räumliche Lage der Korngrenzenfläche bedingt werden. Dieser Parameter, die geometrische Gleitsystempassung, soll im Sinne der allgemeinen, für Gleitsystemprozesse zu beobachtende Hinderniswirkung einer Korngrenze, deren Widerstandswirkung bezüglich eben diesem Barriere-Effekt quantitativ zum Ausdruck bringen. Da mit der klassischen Angabe der Fehlorientierung lediglich eine Einteilung in Klein-winkel- und Großwinkelkorngrenze möglich ist, können Gleittransferprozesse bei „vermeintlich“ stark mißorientierten Körnern mit diesem Konzept nicht beschrieben werden. Tatsächlich lassen sich jedoch solche Konfigurationen experimentell beobachten, bei denen – abhängig von der lokalen Orientierung der Korngrenze – sich zwei benachbarte Gleitsysteme in guter Übereinstimmung auf der Korngrenzen(ebene) treffen und somit die geometrischen Bedingungen erfüllen, um einen Transfer von Gleitung (Transmission von Versetzungen) zu ermöglichen. Dieser Effekt wird durch das in dieser Arbeit entwickelte STRONG-Konzept (Slip Transfer Resistance Of Neighboring Grains) beschrieben, indem der so definierte Gleit-Transfer-Widerstand der Korngrenze umso kleiner ausfällt, je besser sich die geometrische Gleitsystempassung auf der Korngrenze darstellt.Topic of the thesis is the definition of a geometric grain boundary resistance quantifying the crystallographic misorientation between neighboring grains. Main question is how to substitute the common term of misorientation through a concept of geometric mismatch between the interacting slip systems from both grains including the corresponding grain boundary plane. A new definition of such a mismatch parameter is supposed to describe the blocking effect of the grain boundary in a better way than the usual misorientation it does. Since the misorientation traditionally solely affords a classification in low angle and high angle grain boundaries (unremarkable the actual position of the grain boundary) or even an identification of a CSL Sigma relation that is why actual slip transfer processes at high angle boundaries cannot be described sufficiently in this concept. But there are such configurations with explicit grain boundary conditions in which selected neighboring slip systems can encounter each other on the boundary plane in a geometric well-fitting manner in spite of the predetermined large crystallographic misorientation. To quantify this geometric match or contrariwise mismatch a mathematic method was developed, the so called STRONG concept (Slip Transfer Resistance Of Neighboring Grains), which maintains a parameter – the grain boundary resistance – describing the barrier effect for dislocation transmission through the boundary dependent of its three dimensional layer