HAL Id: jpa-00216343
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00216343
Submitted on 1 Jan 1975
HAL
is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire
HAL, estdestinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
MIGRATION DES JOINTS DE FLEXION < 110 >
DANS DES BICRISTAUX D’ALUMINIUM
M. Masteller, C. Bauer
To cite this version:
M. Masteller, C. Bauer. MIGRATION DES JOINTS DE FLEXION < 110 > DANS DES BI- CRISTAUX D’ALUMINIUM. Journal de Physique Colloques, 1975, 36 (C4), pp.C4-367-C4-369.
�10.1051/jphyscol:1975437�. �jpa-00216343�
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque CA, supplément au n° 10, Tome 36, Octobre 1975, page C4-367
MIGRATION DES JOINTS DE FLEXION < 110 >
DANS DES BICRISTAUX D'ALUMINIUM
M. S. MASTELLER et C. L. BAUER Department of Metallurgy & Materials Science
Carnegie-Mellon University Pittsburgh, Pennsylvania, U.S.A.
Résumé. — Les auteurs ont étudié la migration des joints de flexion autour de l'axe < 110 >
et d'angle de désorientation 0 = 40, 70,5 109,5 129,5° dans des bicristaux d'aluminium 99,998 alo à l'aide d'une technique de capillarité renversée. Les mesures ont été réalisées parmi une large gamme de forces motrices (104-106 dyn/cm2) et de températures de recuit (91-640 °C) afin d'étudier l'influence de la structure des joints de grains sur les cinétiques de migration. Les résultats montrent en effet l'influence de la structure du joint sur les cinétiques de migration et la présence de couples du joint de mâcle et de facettes macroscopiques soulignent une forte anisotropie de la structure du joint. Ces résultats sont en accord avec la théorie du réseau de coïncidence de la structure des joints de grains.
De nombreuses recherches théoriques et expéri- mentales ont démontré l'influence de la structure sur les propriétés des joints de grains dans les métaux [1]. Il est généralement admis que la théorie du réseau de coïncidence donne un bon modèle pour déterminer la structure des joints de grains dans les métaux cubiques. Bien que la théorie du réseau de coïncidence ne donne pas nécessairement une image atomique détaillée de la structure du joint de grains, il prédit les relations des inclinai- sons de désorientation entre les joints avoisinants et lés propriétés singulières des joints de grains peuvent ainsi être obtenues. L'objet de cette communication est de résumer les résultats obtenus lors d'une étude sur la migration des joints de flexion, d'orientation spéciale autour de l'axe
< 1 1 0 > dans des bicristaux d'aluminium 99,998 alo. Une telle recherche fut conduite afin d'éluci- der l'influence de la structure des joints de grains sur les cinétiques macroscopiques de migration.
Les joints de grains étudiés furent des joints de flexion symétriques autour de < 110 > et d'angle de désorientation 0 = 40, 70,5, 109,5, 129,5°. Ces joints correspondent à des joints de macle d'indice respectivement (221), (111), (112), (113). Les rela- tions entre l'angle de désorientation autour d'un axe commun < 110 > et la structure du joint, la densité des sites en coïncidence et l'énergie sont résumées dans le tableau I. Les bicristaux contenant ces
T A B L E A U I
Relations entre l'angle de désorientation 0 autour d'un axe commun < 110 > , la structure du joint, la densité des sites en coïncidence et l'énergie y, pour les bicristaux d'aluminium étudiés dans cette recher- che. L'énergie y est normalisée par rapport à l'énergie d'un joint de macle (111). Les énergies des joints sont reportées à partir de Hasson et al. [2]
pour une température de 650 °C.
e (°) 40
70,5 109,5 129,5
Structure du joint à peu près (221) macle 6 (221) = 38,9°
(111) macle (112) macle (113) macle
Densité des sites en coïncidence
1/9 1/3 1/3 1/11
y/y ( m )
8,00 1,00 9,45 5,00
joints furent fournis par C. Goux et M. Biscondi de l'Ecole Nationale Supérieure des Mines, Saint- Etienne, France.
La migration des joints mentionnés ci-dessus fut étudiée à l'aide d'une technique de capillarité renversée, où la trace du joint formant tout d'abord un angle aigu a avec la surface libre se transforme suivant une trace de forme hyperbolique. Le principal avantage de cette technique est que la force motrice varie de façon inverse avec le Abstract. — Migration of 40, 70.5, 109.5 and 129.5° < 110> tilt boundaries in 99.998 alo
aluminium bicrystals has been investigated "by a reversed-capillary technique over a wide range of driving force (104-106 dyn/cm2) and annealing temperature (91-640 °C) in order to elucidate influence of grain boundary structure on macroscopic migration kinetics. Results indicate that migration kinetics are indeed sensitive to boundary structure and that a high degree of anisotropy obtains, as evidenced by presence of large twin boundary torques and macroscopic facets. These results are consistent with the coincidence lattice theory of grain boundary structure.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1975437
C4-368 M. S. MASTELLER ET C. L. BAUER
déplacement a sur la surface libre, garantissant le mouvement du joint de grains même en présence d e larges forces d'épinglement. La géométrie des échantillons est représentée schématiquement dans la figure 1.
FIG. 1 . - Représentation schématique de la géométrie des échantillons associée avec la technique de capillarité renversée, où la trace du joint formant tout d'abord un angle aigu a avec la surface libre se transforme suivant une trace de forme hyperbolique [3]. La face A est orientée perpendiculairement à I'axe de rotation et représente un plan cristallographique commun. La face B représente deux plans arbitraires. L'angle de désorientation % représente le degré de rotation (relatif) par rapport à un axe de rotation commun aux deux cristaux. Pendant les recuits, le joint prend sur la face A diverses formes hyperboliques caractérisées par le déplacement a sur la face B .
Les échantillons furent préparés à partir de bicristaux par sciage à l'aide d'une scie abrasive et par polissage mécanique puis électrolytique afin d'orienter la large surface (face A) perpendiculaire- ment à I'axe d e désorientation 0 e t avec un angle a variant généralement d e 5 à 8". Par conséquence, la partie déplacée du joint d e grains devient un joint d e flexion asymétrique. . Les échantillons furent recuits sous vide (- torr) à des températures variant d e 91 ( T I F = 0,39) à 640 "C (TI% = 0,98).
La plupart des recuits furent faits à des tempé- ratures variant d e 217 (TITi. = 0,525) à 473 OC ( T I F = 0,8). Après recuit, les échantillons furent polis et anodés afin d e révéler la trace du joint.
Les résultats sont basés à partir d'observations faites sur environ 100 échantillons contenant des joints d e flexion autour d e < 110 > et d'angle de désorientation 0 = 40, 70,5, 109,5 et 129,s". Dans cette communication nous présentons un résumé des principales caractéristiques de la migration.
Premièrement, les taux d e migration sont faibles, variant d e cmls pour un joint d'angle de désorientation 8 = 40" avec T = 91 OC à cm/s pour celui de 109,s à 613 OC. Ces taux de migration correspondent à des forces motrices d'environ IO6 à IO4 dyn/cm2. Deuxièmement, des variations impor- tantes (facteur deux) des taux d e migration furent observées'. Généralement, les joints d'angle de désorientation û = 40" possèdent le plus large taux de migration suivi par ceux d'angle 0 = 109,5 et 129,s". Troisièmement, dans plusieurs cas, particu- lièrement à basse température ( T I F = 0,5), aucun déplacement ( a
<
IO-' cm) des joints d e grains d'angle d e désorientation 0 = 70,5, 109,s et 129,s"ne fut observé'malgré de longs temps de recuit (de
l'ordre d e plusieurs jours). Ceci est également vrai pour le joint d'angle d e désorientation 0 = 70,s" qui conserve sa structure (macle d'indice (1 1 1)) pour toutes températures, même dans les conditions les plus sévères telles que recuit pendant une semaine à une température d e 640 "C (TITI = 0,98) et pour un angle a d e 3". Comme aucune cause d'épinglement, telle que des grains recristallisés, ne fut observée, nous en concluons que la macle d'indice (1 11) est épinglée dans son inclinaison symétrique par un large couple du joint de grains associé avec cette orientation. La présence de larges couples du joint de grains nous laisse supposer que la diminution d'énergie libre due à un déplacement (mouvement) du joint d e grains peut être compensée par I'ac- croissement de l'énergie interfaciale du segment déplacé.
L e principal résultat de cette recherche est l'observation d'un spectre complexe de déplace- ments d e la trace du joint de grains. Un exemple illustrant la plupart des caractéristiques observées est représenté dans la figure 2. L e segment d'en haut de la partie déplacée d e la trace d e joint est caractérisée par une portion d'arc circulaire, tandis que la partie linéaire d'en bas représente une facette du joint de grain. Des facettes furent observées sur environ 50 % d e tous les échantillons.
soumis aux traitements d e recuit mentionnés ci- dessus. L a présence des discontinuités dans la trace nous laisse supposer, par analogie avec la construc- tion d e Gibbs-Wulff sur les formes d'équilibre, que certains éléments de la structure sont soit énergéti- quement soit cinématiquement favorables.
. 2. - Trace d'un joint de flexion d'angle de désorientation 40° après recuit à 473 OC pendant 65 min. Déplacement
maximum a = 5,5 x 10W2 cm (200X).
Bien qu'il ne nous soit pas possible de citer toutes les preuves, une vue synoptique nous laisse suggérer que la migration des joints d e grains d'orientation spéciale dans l'aluminium dépend fortement d e la structure d e l'interface. De plus, du point de vue d e la morphologie, la présence de
MIGRATION DES JOINTS D E FLEXION < 110 > DANS DES BICRISTAUX D'ALUMINIUM C4-369
facettes nous laisse suggérer que la structure du joint de flexion migrant est anisotropique. Le joint de flexion étant ordinairement composé de facettes microscopiques correspondant à des inclinaisons à forte densité du réseau de coïncidence. De telles facettes ont été observées dans des lames minces bicristallines d'or [4]. La formation de facettes macroscopiques pendant la migration du joint nous laisse supposer qu'il existe une grande différence entre les taux de migration des facettes microscopi- ques. Que l'inclinaison des facettes macroscopiques correspondent à des inclinaisons à forte mobilité ou qu'elles résultent d'une migration rapide et d'une coalescence de facettes complémentaires, le méca- nisme de formation de ces facettes n'a pas pu être déterminé. Cependant, l'effet global d'un tel mou- vement a pour conséquence de modifier la forme de la trace du joint durant la migration du joint. En conséquence, il ne semble pas y avoir de relation simple entre les taux de migration macroscopiques
et microscopiques du joint de grains. Une distribu- tion non uniforme des impuretés peut être un autre effet de la structure anisotropique des joints de grains.
E n conclusion, les résultats de cette recherche tendent à confirmer la validité de base de la théorie du réseau de coïncidence sur la- structure des joints de grains dans les métaux cubiques. La présence de couples du joint de grains et de facettes macrosco- piques nous laisse suggérer une forte anisotropie de la structure dans les joints de flexion. Les varia- tions entre les joints étudiés de la dépendance de la vitesse par rapport à la force motrice reflètent cette anisotropie. Une description plus détaillée de cette recherche sera présentée ailleurs.
Remerciement. - Nous remercions la « National Science Foundation » pour le financement de cette recherche.
Bibliographie
[Il GLEITER, H. et B. CHALMERS, Prog. Mat. Sci. 16 (1972) [2] HASSON, G . C. et al., Surf. Sci. 32 (1972) 115.
[3] SUN, R. C. et C. L. BAUER, Acta Metall. 18 (1970) 635.
[4] WAGNER, W. R. et al., Phil. Mag. 29 (1974) 895.
DISCUSSION S. HOFMANN : a ) In your' mode1 you have not
taken into account the dependence of the interac- tion energy of the foreign atoms to the boundary on the location at the boundary. (p.. # f ( x ) . 1s this not a serious restriction with respect to the atomistic structure of a boundary ?
b) In which way does the unstable region you have derived relate to the transition region in the impurity drag theory of Cahn-Lücke-Detert- Stüwe ?
C. L. BAUER : a ) Your statement, of course, is correct because we have assumed isotropy of the grain boundary. This restriction is the same as for al1 other phenomenalogical grain boundary models ;
e. .g. theorïes of Cahn, Lücke, Detert and Stüwe.
Ultimately one must consider atomistic structure but first it is certainly necessary to make sure that the phenomenalogical analysis is correct.
b) This is a very interesting question which can not be completely answered at present. The Cahn- Lücke-Detert-Stüwe analysis, however, are in prin- ciple incorrect (in the transition region) since a planar boundary is assumed and thus, if there is a relation, it is fortuitous. Nevertheless, 1 believe the transition region of Cahn-Lücke-Detert-Stüwe does correspond approximately to the actual region whereat the impurities can no longer follow a (non planar) boundary.
