Monte Carlo simulation of abnormal grain growth in two dimensions

Abnormal grain growth in the presence of second phase particles is investigated with the help of a two-dimensional Monte Carlo simulation. An aggregate of equiaxed grains is considered with constant grain boundary energy and mobility. The only driving force accounted for stems from the grain boundary curvature. The process of abnormal grain growth is investigated as a function of two governing parameters, the initial degree of pinning of the matrix grains by the particles and the initial size advantage of the anomalous grain. In such conditions, moderate growth is obtained whose specific features are discussed with respect to the available models. It is shown that it is possible to obtain drastic grain growth by introducing the thermally activated unpinning of grain boundaries from particles. For this purpose, a simplified but effective procedure is proposed and discussed that includes the influence of the capillary force on the height of the local energy barrier for grain unpinning.Comment: 16 pages, 15 eps figures, Latex. Accepted for publication im Mat. Sci. Eng.

Diffusion-driven superplasticity in ceramics: Modeling and comparison with available data

The discovery of superplasticity in ceramics polycrystals led to debates about whether or not earlier models developed for metallic polycrystals can apply to these systems. In particular, all existing models require some mobility of lattice or grain-boundary dislocations whereas such activity is not observed in most ceramic systems. A model is presented that accounts for the occurrence of superplasticity in the absence of dislocation motion. It is based on a mechanism of grain-boundary sliding by pure-shear motion under stationary conditions, which is accommodated by lattice or grain-boundary diffusion. The prediction of this model regarding the temperature dependences of the stress exponent and of the effective activation energy are found in agreement with experimental results and literature data on five ceramic systems where dislocation activity could not be recorded: -SiAlON polycrystals, Al-doped SiC polycrystals, nanocrystalline MgO, yttria-tetragonal zirconia polycrystals, and alumina ceramics polycrystal

Dynamic instabilities in zirconia-based single- crystalline ceramics

Las cerámicas monocristalinas han sido objeto de un considerable interés a lo largo de estos años, debido a la posibilidad de obtener información esencial sobre propiedades fundamentales que puedan ayudar a la comprensión de sistemas policristalinos complejos. La circona dopada con itria ha merecido un estudio particular, debido a los interesantes fenómenos que manifiesta (endurecimiento por presencia de soluto disuelto en la red, precipitación de segundas fases, etc.). Entre las propiedades menos estudiadas hasta ahora se encuentran las inestabilidades plásticas que se presentan en la deformación a alta temperatura de monocristales con alto dopado de itria. Este trabajo recoge algunas de las experiencias mecánicas que se han realizado de forma sistemática para la comprensión del fenómeno y de las condiciones requeridas para que éste se produzca. Se han realizado ensayos de deformación en compresión uniaxial a lo largo de la dirección cristalográfica , de monocristales de circona completamente estabilizada con itria (≥21 mol%), a temperaturas entre 1310 y 1410 °C. La modelización de estas inestabilidades ha requerido un análisis detallado mediante microscopía electrónica de transmisión de la estructura de dislocaciones activadas durante la deformación.Single-crystalline ceramics have been the object of a considerable interest over the past years because they offer the possibility of obtaining essential information on fundamental properties which may help us to understand complex polycrystalline systems. Yttria-doped zirconia has deserved a particular study, since it exhibits quite interesting properties (solute hardening, precipitation hardening, etc.). Amongst the less studied properties up to now, plastic instabilities are found. These instabilities occur at high temperature deformation in highly-doped yttria-zirconia single crystals. This work summarizes some of the mechanical tests carried out systematically to understand this phenomenon and the conditions required for its occurrence. Yttria fully-stabilized cubic zirconia single crystals (≥21 mol% yttria content) have been deformed plastically under uniaxial compression in an axis, in the temperature range 1310-1410°C. Modelling of these instabilities has also required a thorough analysis by transmission electron microscopy of the deformed samples

Simulation de la plasticité des matériaux cristallins par le modèle discret-continu

L'objectif de ce travail consiste à dépasser l'étude de la plasticité du monocristal en analysant des situations qui mettent en jeu des sources de contraintes internes liées à la présence simultanée de dislocations et d'interfaces internes ou externes, pouvant ou non conduire à des effets de taille. Dans ce but, il est nécessaire de résoudre simultanément le comportement dynamique des dislocations et un problème: de conditions aux limites. Pour cela, nous avons poursuivi le développement du modèle discret-continu (MDC) initié par Lemarchand et al. en y ajoutant une règle locale à courte distance pour le traitement des interactions et des réactions entre dis- locations. De plus, nous avons réalisé une optimisation du calcul d'homogénéisation de la déformation plastique. Ces deux avancées permettent maintenant d'utiliser cette simulation hybride pour modéliser des matériaux structurés dans lesquels la densité de dislocations est importante. La première application réalisée avec le MDC a consisté à étudier la relaxation des contraintes internes dans une couche mince de cuivre hétéro-épitaxiée sur différents substrats. En élasticité isotrope, on retrouve les résultats prédits par le modèle de Matthews et Blakeslee. Nous montrons ensuite comment l'élasticité anisotrope modifie les prédictions de l'épaisseur critique à partir de laquelle on commence à créer le réseau de dislocations d'interface, permettant ainsi se rapprocher des données expérimentales. Enfin, nous avons comparé deux orientations de couches, et contrairement à ce qui peut être obtenu à l'aide de l'élasticité isotrope nous montrons que l'élasticité anisotrope permet de retrouver le fait qu'une couche [111] est plus "dure" qu'une couche [001]. Dans un second temps, nous avons étudié le comportement mécanique d'un composite à matrice métallique Al /Al2O3 soumis à deux types de chargements, longitudinal et transverse. Dans un tel système, la densité de dislocations est grande et les sources de contraintes internes sont multiples. Les résultats obtenus montrent clairement la présence d'un effet de taille présent dès la limite d'élasticité, dont l'évolution en fonction de la distance inter-fibres peut être décrite à l'aide d'une loi d'Orowan. Ce résultat pose le problème de la composition de différents mécanismes élémentaires dans des matériaux complexes.This work aims at going beyond traditional studies of single crystal plasticity by analysing situations in which sources of internal stress arise from the presence of dislocations as well as from internal or external interfaces, possibly leading to size effects. Then, it is necessary to solve simultaneously a dislocation dynamics problem and a boundary value problem. For this purpose, we extended the development of the discrete-continuum model (DCM) initiated by Lemarchand et al.. The main two achievements consisted in implementing a local rule for the short-range interactions and reactions between dislocations and optimising the calculation of homogenisation step for the plastic strain. These two advances make it now possible to perform mass simulations with the DCM, on model structured materials containing large dislocation densities. The first application carried out with the DCM consisted in studying the critical thickness for the relaxation of internal stresses in hetero-epitaxial copper thin films deposited on different substrates. In isotropic elasticity, we obtained the results predicted long ago by Matthews and Blakeslee. However, we showed that anisotropic elasticity modifies this prediction in a sense consistent with experimental observations. We also compared two film orientations and showed that, in contrast with the prediction of isotropic elasticity and in conformity with experiment, [111] films are harder than [001] films. A second application dealt with the mechanical behaviour of an Al /Al2O3 metal matrix composite loaded in either the longitudinal or the transverse direction. In this case, the dislocation density is substantial and the internal stresses have different origins. A size effect has been characterised and is discussed in some detail. The variations of the yield stress can be predicted using the Orowan's law. This result poses the problem of the composition of the different elementary mechanisms that are active in complex materials.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Persistent slip bands: The bowing and passing model revisited

International audienceBrown's bowing and passing model for persistent slip bands (PSBs) was extended in Cu and Ni to the whole range of temperatures in which a saturation plateau is observed. Advantage was taken of the similitude relation to rewrite in dimensionless form the equations of the original model and of a more accurate revisited version. Input quantities for computing the solutions were taken from a previous study of experimental results; all unknown quantities could then be directly calculated without any assumption or approximation. The comparison between experimental results and the predictions of the revisited model confirms the basic assumptions of the bowing and passing model, according to which the thermally activated annihilation of screw dipoles is governing the channel widths, the Orowan stresses and the critical stresses in the channels. All other assumptions and numerical predictions are perfectly confirmed, save for the occurrence of small resistive stresses in the channels. In addition, a better understanding of the complex behavior of PSB walls under stress is necessary in order to accurately determine the plastic strain amplitude of PSBs. Mesoscale and atomistic simulations are needed for further modeling of the wall properties and the screw dipole annihilations

Dislocation strengthening in FCC metals and in BCC metals at high temperatures

International audienceTill now, it was widely believed that the dislocation strengthening coefficients used in the Taylor-like relation were universal for a given crystallographic class of materials. In the present study, it is shown that this is actually untrue because of two effects that influence the strength of interactions between slip systems, namely the value of the Poisson ratio and the occurrence of doubly degenerated, asymmetric, junction configurations. New strengthening coefficient values for reactions between slip systems were determined using dislocation dynamics simulations on five representative FCC metals, plus germanium, and on five BCC transition metals for {110} and {112} slip systems at high homologous temperatures. The value of the Poisson ratio affects all the strengthening coefficients to various extents ranging from small to substantial. The effects of configuration asymmetry and Poisson's ratio are more marked in BCC metals than in FCC metals. These two major effects arise from a number of concurring dislocation mechanisms, which are discussed in some detail. It is expected that the use of accurate material-dependent coefficients will notably improve the predictive ability of current models for strain hardening

Plasticité et effet de taille dans les polycristaux à grains micrométriques (simulations mésoscopiques et modélisation)

La résistance mécanique des polycristaux augmente lorsque leur taille de grain diminue. Cela se traduit par une loi d'échelle simple, qui est donnée par la loi de Hall-Petch. L'objectif de ce travail est d'étudier ce phénomène, au niveau microstructural et à celui du polycristal massif par une modélisation multiéchelles. Dans ce but nous avons adapté une simulation de dynamique des dislocations en trois dimentions ("mM"), destinée à l'études des monocristaux CFC, à l'étude de polycristaux à tailles de grains micrométriques. En fonction des déformations croissantes, nous observons un effet de taille qui se raproche d'une loi de Hall-Petch, au fur et à meusure que la déformation intergranulaire s'homogénéise. Les évolutions microstructurales obtenues ne sont pas compatibles aves le modèle classique des empilements, mais plutôt avec les modèles basés sur le blocage des dislocations aux joints de grains. En conséquence de ces résultats, nous avons utilisé une approche alternative basée sur un modèle constitutif pour l'évolution des densités de dislocations et leur stockage aux joints de grains, qui est résolu à l'aide d'un code de platicité cristalline. La loi de Hall-Petch est retrouvée avec des valeurs numériques des contantes conformes à l'expérience. Une étude comparative des rotations et des déformations des grains dans ce modèle numérique et des simulations de dynamique des dislocations permet de discuter les forces et les faiblesses des deux approches utilisées.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Comportement en fluage et en traction de superalliages monocristallins à base de nickel

Nous avons étudié les différences de comportement en fluage (760ʿC/840 MPa, 950ʿC/300 MPa, 1050ʿC/150 MPa, 1150ʿC/100MPa) et en traction (entre 20ʿC et 1100ʿC) entre un superalliage monocristallin de première génération (AMI) et un superalliage monocristallin de nouvelle génération (MC-NG). La différence entre les chimies des deux alliages réside dans le fait que le MC-NG, contrairement à l'AM1, contient entre autres du rhénium et du ruthénium. L'influence de la microstructure g/g' des superalliages a également été prise en compte. Nous avons identifié les paramètres qui contrôlent la déformation en fluage des superalliages à 760ʿC. La différence de comportement que nous rencontrons entre l'AM1 et le MC-NG a dans ce cas été attribuée au durcissement en solution solide de la phase g qui est plus important dans le MC-NG que dans l'AM1. Lors de la comparaison du comportement en fluage à 950ʿC et 1150ʿC nous avons mis en exergue le rôle bénéfique du rhénium dans le MC-NG qui inhibe la plasticité dans la phase g au travers de différents mécanismes. Nous avons poussé plus avant nos investigations concernant le comportement en fluage à 1050ʿC de ces alliages. En effet, des études préliminaires avaient montré le caractère particulier des courbes de fluage du MC-NG comparé à d'autres superalliage à cette température. Nous avons identifié les mécanismes pilotant le début du stade de fluage tertiaire précoce dans le cas du MC-NG de même que les causes de la déstabilisation de la microstructure lamellaire g/g'. En traction le but était de comprendre dans quelle mesure la limite élastique à 0,2\% de déformation plastique était plus importante dans l'AM1 que dans le MC-NG au basse température. L'étude de ce comportement en fonction de la température ainsi que l'examen des structures de dislocations nous ont permis de conclure. Ainsi, le fait que la phase g' du MC-NG soit moins alliée en éléments titane et tantale que celle de l'AM1 est rendu responsable de cette différence.We have study the different mechanical behaviour (creep test performed at 760ʿC/840 MPa, 950ʿC/300 MPa, 1050ʿC/150 MPa, 1150ʿC/100MPa, and tensile test performed between 20ʿC and 1100ʿC) between a first generation single-crystal superalloy (AM1) and a new generation single-crystal superalloy (MC-NG). Difference between the chemistries of the two superalloys lies in the fact that MC-NG contrary to AM1 contains, among others, rhenium and ruthenium. Influence of the g\g' microstructures had been taking into account. We have identified parameters who control the superalloys creep deformation at 760ʿC. The difference of behaviour that we encounter between AM1 and MC-NG had been attributed to the solid solution strengthening of the gphase of the MC-NG which is higher than in the AM1. During creep comparison at 950ʿC and 1150ʿC we have enlighten the beneficial effect due to rhenium in the MC-NG who inhibit plasticity in the gphase trough different mechanisms. We have push forward our investigations concerning creep behaviour at 1050ʿC on these two alloys. In fact, previous studies had been shown the particular nature of the MC-NG creep curve compare to other superalloys at this temperature. We have identify mechanisms driving the early onset of the tertiary creep in the MC-NG case as well as lamellar g\g' microstructure destabilisation causes. Concerning tensile test, the aim was to understand in which extent 0,2\% yield stress was higher in the AM1 than in the MC-NG at low temperatures. Study of this behaviour according to temperature as well as dislocations structures examination allow us to conclude. So, the fact that MC-NG g' phase be less alloying in titanium and tantalum than the AM1 one is responsible of this difference.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocPARIS12-THIAIS CNRS ICMPE (940732301) / SudocSudocFranceF