Mécanismes élémentaires de la migration de joints de grains couplée au cisaillement

The shear coupled grain boundary migration of aluminum bicrystals has been investigated at the microscopic level using a double approach combining atomistic simulations of molecular dynamic and in-situ straining experiments in the transmission electron microscope (TEM). With the simulations we have characterized the effect of the introduction of a sessile disconnections dipole in a SIGMA41[001](450) symmetric tilt grain boundary (GB). The minimum energy path as well as the microscopic mechanism of the GB migration has been revealed using the Nudged Elastic Band method. The description of the migration mechanism through disconnection composition / decomposition and propagation has proven fruitful. In particular it shows that the disconnections dipole acts as a favored site for the nucleation of mobile disconnections that carry the GB migration. Despite the fact that only a tiny effect on the yield stress of the GB migration is calculated it appears that the activation energy is significantly lowered by a factor that can be of the order of 0,65 comparing to the value of the ideal GB migration case. Moreover it is also shown that a preexisting disconnection gliding in the GB experience a friction force from the disconnection dipole emphasizing the ambivalent role of this defect concerning the GB dynamic. In-situ TEM straining experiments have been performed using thin foils extracted from two different bicrystals : the SIGMA3[110](111) (known as a twin boundary) and the SIGMA41[001](450). The samples were deformed under tensile stress in the microscope at temperatures ranging from 280°C to 480°C. Globally the SIGMA3[110](111) GB showed a very low mobility, however some macro-steps associated with intergranular dislocations were seen to occasionally move in the GB. Yet an intense activity of several disconnections families has been observed among which the 1/6 type family that has been identified using the asymmetry of their TEM contrast under several diffraction vectors (g). These results are compatible with the presence in the GB of a combination of steps of different height and sign. The straining of the SIGMA41[001](450) GB sometimes results in its shear coupled migration with a measured coupling factor close to a predicted value of the disconnection model. In both bicrystals it appears that the GB dynamic and its disconnection distribution are correlated to the interactions with the neighboring defects like sub-grain boundaries and intragranular dislocations. [...]La migration de joint de grains couplée au cisaillement dans des bicristaux d'aluminium a été étudiée à l'échelle microscopique par une double approche mêlant des simulations atomistiques de dynamique moléculaire et des expériences de déformation in-situ dans le microscope électronique en transmission (MET). Les simulations ont consisté en la caractérisation de l'effet de l'introduction d'un dipôle de disconnections sessiles sur la migration du joint de flexion symétrique SIGMA41[001](450) à 0 K. L'utilisation de la technique Nudged Elastic Band a permis de déterminer le chemin d'énergie minimum de la migration et de révéler le mécanisme microscopique sous-jacent. La description de ce dernier en terme de composition / décomposition et propagation des disconnections s'avère fructueuse et montre en particulier que le dipôle introduit agit comme un site de nucléation préférentiel pour les disconnections mobiles réalisant la migration. Bien que l'introduction du dipôle ait peu d'effet sur la contrainte critique de migration il apparaît en revanche que l'impact sur l'énergie d'activation est plus conséquent avec une diminution pouvant être de l'ordre de 0,65 par rapport à la valeur calculée pour la migration du joint idéal. Par ailleurs il est aussi montré qu'une disconnection préexistante glissant dans le joint subit une force de friction de la part du dipôle soulignant l'ambivalence de ce défaut sur la dynamique du joint. Les expériences de déformation in-situ MET sont conduites sur des lames minces extraites de deux bicristaux différents : le SIGMA3[110](111) (joint de macle) et le SIGMA41[001](450). Au microscope les lames sont sollicitées en traction sous des températures situées entre 200°C et 480°C. Le joint SIGMA3[110](111) se montre globalement assez peu mobile malgré l'observation de macro-marches associées à des dislocations intergranulaires se déplaçant occasionnellement. D'un autre côté une intense activité de plusieurs familles de disconnections en mouvement dans le joint est observée dont une famille de type 1/6 identifiée par l'analyse de l'asymétrie de leur contraste pour différents vecteurs de diffraction (g). Ces résultats sont compatibles avec la présence d'un mélange de marches de signe et hauteur différents au sein d'une même famille. La traction du joint SIGMA41[001](450) a parfois montré des évènements de migration couplée au cisaillement dont la valeur du couplage mesuré est proche de prédictions effectuées à partir du modèle des disconnections. Dans les deux bicristaux étudiés il est remarqué que la dynamique du joint ainsi que la distribution des disconnections dans son plan sont corrélés aux interactions avec les défauts environnants tels que les dislocations intragranulaires ou les sous-joints.[...

Elementary mechanisms of shear coupled grain boundary migration

La migration de joint de grains couplée au cisaillement dans des bicristaux d'aluminium a été étudiée à l'échelle microscopique par une double approche mêlant des simulations atomistiques de dynamique moléculaire et des expériences de déformation in-situ dans le microscope électronique en transmission (MET). Les simulations ont consisté en la caractérisation de l'effet de l'introduction d'un dipôle de disconnections sessiles sur la migration du joint de flexion symétrique SIGMA41[001](450) à 0 K. L'utilisation de la technique Nudged Elastic Band a permis de déterminer le chemin d'énergie minimum de la migration et de révéler le mécanisme microscopique sous-jacent. La description de ce dernier en terme de composition / décomposition et propagation des disconnections s'avère fructueuse et montre en particulier que le dipôle introduit agit comme un site de nucléation préférentiel pour les disconnections mobiles réalisant la migration. Bien que l'introduction du dipôle ait peu d'effet sur la contrainte critique de migration il apparaît en revanche que l'impact sur l'énergie d'activation est plus conséquent avec une diminution pouvant être de l'ordre de 0,65 par rapport à la valeur calculée pour la migration du joint idéal. Par ailleurs il est aussi montré qu'une disconnection préexistante glissant dans le joint subit une force de friction de la part du dipôle soulignant l'ambivalence de ce défaut sur la dynamique du joint. Les expériences de déformation in-situ MET sont conduites sur des lames minces extraites de deux bicristaux différents : le SIGMA3[110](111) (joint de macle) et le SIGMA41[001](450). Au microscope les lames sont sollicitées en traction sous des températures situées entre 200°C et 480°C. Le joint SIGMA3[110](111) se montre globalement assez peu mobile malgré l'observation de macro-marches associées à des dislocations intergranulaires se déplaçant occasionnellement. D'un autre côté une intense activité de plusieurs familles de disconnections en mouvement dans le joint est observée dont une famille de type 1/6 identifiée par l'analyse de l'asymétrie de leur contraste pour différents vecteurs de diffraction (g). Ces résultats sont compatibles avec la présence d'un mélange de marches de signe et hauteur différents au sein d'une même famille. La traction du joint SIGMA41[001](450) a parfois montré des évènements de migration couplée au cisaillement dont la valeur du couplage mesuré est proche de prédictions effectuées à partir du modèle des disconnections. Dans les deux bicristaux étudiés il est remarqué que la dynamique du joint ainsi que la distribution des disconnections dans son plan sont corrélés aux interactions avec les défauts environnants tels que les dislocations intragranulaires ou les sous-joints.[...]The shear coupled grain boundary migration of aluminum bicrystals has been investigated at the microscopic level using a double approach combining atomistic simulations of molecular dynamic and in-situ straining experiments in the transmission electron microscope (TEM). With the simulations we have characterized the effect of the introduction of a sessile disconnections dipole in a SIGMA41[001](450) symmetric tilt grain boundary (GB). The minimum energy path as well as the microscopic mechanism of the GB migration has been revealed using the Nudged Elastic Band method. The description of the migration mechanism through disconnection composition / decomposition and propagation has proven fruitful. In particular it shows that the disconnections dipole acts as a favored site for the nucleation of mobile disconnections that carry the GB migration. Despite the fact that only a tiny effect on the yield stress of the GB migration is calculated it appears that the activation energy is significantly lowered by a factor that can be of the order of 0,65 comparing to the value of the ideal GB migration case. Moreover it is also shown that a preexisting disconnection gliding in the GB experience a friction force from the disconnection dipole emphasizing the ambivalent role of this defect concerning the GB dynamic. In-situ TEM straining experiments have been performed using thin foils extracted from two different bicrystals : the SIGMA3[110](111) (known as a twin boundary) and the SIGMA41[001](450). The samples were deformed under tensile stress in the microscope at temperatures ranging from 280°C to 480°C. Globally the SIGMA3[110](111) GB showed a very low mobility, however some macro-steps associated with intergranular dislocations were seen to occasionally move in the GB. Yet an intense activity of several disconnections families has been observed among which the 1/6 type family that has been identified using the asymmetry of their TEM contrast under several diffraction vectors (g). These results are compatible with the presence in the GB of a combination of steps of different height and sign. The straining of the SIGMA41[001](450) GB sometimes results in its shear coupled migration with a measured coupling factor close to a predicted value of the disconnection model. In both bicrystals it appears that the GB dynamic and its disconnection distribution are correlated to the interactions with the neighboring defects like sub-grain boundaries and intragranular dislocations. [...

A general analytical method for interface normal determination in TEM A general analytical method for interface normal determination in TEM

International audience• We present a general method to determine the interface normal from arbitrary orientations. • We developed a general model of interface projection, including existing methods as special cases. • The method is proved to be robust, efficient, and scalable in different situations. A B S T R A C T This paper presents a new analytical method to determine interface normals from a series of bright/dark field images taken from arbitrary orientations. This approach, based on a general geometrical model of interface projection, provides a generalized formulation of existing methods. It can treat an excessive number of inputs, i.e. orientation conditions. Given 6 or more sets of inputs, even with considerable experimental errors, we prove that this method is still very likely to yield results with satisfactory trueness. The robustness of the method can thus allow its implementation in problems dealing with a large amount of data. We show that this method can also be applied to determine 1D features or to check the planarity of microstructural features

Comptes Rendus Physique

International audienceShear-coupled migration of grain boundaries: the key missing link in the mechanical behavior of small-grained metals? Migration couplée au cisaillement des joints de grains : le chaînon manquant dans le comportement mécanique des métaux à petits grains

Transmission electron microscopy characterization of low temperature boron doped silicon epitaxial films

International audienc