HAL Id: jpa-00214544
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Submitted on 1 Jan 1971
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FROTTEMENT INTÉRIEUR DU ZINC A HAUTE TEMPÉRATURE
J. Wegria, J. Gouzou, L. Habraken
To cite this version:
J. Wegria, J. Gouzou, L. Habraken. FROTTEMENT INTÉRIEUR DU ZINC A HAUTE TEMPÉRA- TURE. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C2), pp.C2-83-C2-86. �10.1051/jphyscol:1971218�.
�jpa-00214544�
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C2, supplément au no 7, tome 32, Juillet 1971, page C2-83
FROTTEMENT INTÉRIEUR DU ZINC A HAUTE TEMPÉRATURE
J. WEGRIA, J. GOUZOU et L. HABRAKEN
Centre National de Recherches Métallurgiques, Abbaye du Val-Benoît B-4000 Liège, Belgique
Résumé. - Les phénomènes de relaxation aux joints de grains ont été étudiés dans de nombreux métaux et alliages. Le but de ces recherches était d'étudier la structure et le mouvement des joints.
Les résultats que nous présentons ont été acquis lors d'une étude de l'amortissement aux joints de grains dans le zinc.
L'étude de la variation de la température du maximum du pic en fonction de la fréquence d'essai montre que les résultats que nous avons obtenus ne correspondent pas à la même énergie d'activa- tion que celle déduite par d'autres chercheurs de leurs essais. Les phénomènes observés sont donc de nature différente ; les énergies d'activation trouvées sont toutefois compatibles l'une et l'autre avec un déplacement de joints de grains.
Les résultats acquis au cours de cette étude fournissent une énergie d'activation proche de celle pour I'autodiffusion aux joints de grains. Ce résultat est conforme à la majorité des résultats publiés récemment sur la relaxation aux joints de grains, lorsque le diamètre moyen des grains n'est pas trop grand. Ce résultat suggère que la relaxation des tensions aux joints de grains se fait par un déplacement du joint lui-même. Cette interprétation permet de comprendre les résultats expéri- mentaux de Washburn et Parker qui ont observé le mouvement réversible d'un joint sous l'action d'une tension périodique. Ce mécanisme est, en outre, en accord avec le modèle présenté par Gleiter.
De plus, si on adopte la valeur de l'énergie de défaut d'empilement du zinc publiée récemment par Sartry et al., nos résultats vérifient la relation linéaire liant la force de relaxation et l'énergie de défaut d'empilement (Cordea et Spretnak).
L'énergie d'activation trouvée par Roberts et al. correspond à l'énergie d'activation pour l'auto- diffusion en volume dans le zinc, ce qui est conforme aux idées de Kê. On assiste donc dans ce cas à un glissement des joints. Nous pensons que l'énergie d'activation plus élevée requise pour ce mode de mouvement s'explique par le fait que ce processus fait intervenir simultanément un plus grand nombre d'atomes et des dislocations d'un type particulier.
La comparaison des résultats obtenus dans cette étude avec ceux publiés par d'autres chercheurs permet de mieux préciser le mouvement des joints de grains dans le zinc pur. Dans le cas d'échan- tillons à grains fins, on observe une migration du joint ; dans le cas d'échantillons à gros grains, on assiste à un glissement des joints.
Absiract. - The grain boundary relaxation phenomena have been studied for numerous metals and alloys. These investigations were aimed at determining the structure and movement of grain boundaries. The results presented here were obtained when studying grain-boundary damping in zinc.
Determination of the variation in the peak temperature as a function of the test frequency gave results which are discussed. These results do not correspond to the same activation energy as those derived by other workers. The observed phenomena are thus of a different nature, though they are compatible with grain-boundary displacement.
The results obtained in the present investigation led to the derivation of an activation energy close to the one for grain-boundary self-diffusion. This observation agrees with most of the results recently reported on grain boundary relaxation, when the mean diameter of the grains is not too large. This result suggests that the relaxation of stresses at grain boundaries occurs through motion of the boundary itself. This interpretation fits in with the experimental results of Washburn and Parker, who observed the reversible displacement of a boundary subjected to a periodic stress.
Furthermore, this mechanism agrees with the mode1 proposed by Gleiter. If we adopt the stacking- fault energy recently supplied by Sastry and al., our results fit the relationship established by Cordea and Spretnak.
The activation energy found by Roberts et al. corresponds to the activation energy for volume self-diffusion in zinc, which agrees with the concepts of Kê. The phenomenon involved in this case is thus grain-baundary glide. We believe that the higher activation energy required by this type of motion results from the fact that a larger number of atoms and dislocations of a special type are simultaneously involved in this process.
The comparison of results obtained in the present work with those published by other workers, allows to give a better specification of the motion of grain boundaries in high purity zinc. In the case of fine-grained specimens, motion is by grain-boundary migration ; in that of coarse-grained, it is by grain-boundary glide.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1971218
C2-84 J. WEGRIA, J. GOUZ( 3U ET L. HABRAKEN 1. Introduction. - Les phénomènes de relaxation
aux joints de grains ont été étudiés dans de nombreux métaux et alliages. Le but de ces recherches était d'étudier la structure et le mouvement des joints. Les résultats que nous présentons ont été obtenus lors d'une étude de l'amortissement aux joints de grains dans le zinc.
2. Essais réalisés. - Le zinc étudié, de
,qualité électrolytique, contient les impuretés suivantes : Cd : 0,008 % ; Cu : 0,00045 % ; Fe :0,0015 % ; Pb : 0,001 9 %. Le lingot a été laminé à 100 OC avec des réductions de 40 % par passe. Les éprouvettes, de dimensions 120 mm x 3 mm x 1 mm ont été préle- vées parallèlement à la direction de laminage. Avant montage dans un pendule inversé, elles ont subi le traitement suivant : déformation par traction de 15 %
et recuit de 15 minutes à 150 OC. Après ce traitement, les éprouvettes possèdent un grain raisonnablement homogène, de dimension moyenne 0,018 mm.
3. Résultats obtenus. - Les résultats obtenus lors de l'étude de la variation de la température du maxi- mum du pic en fonction de la fréquence d'essai sont résumés au tableau 1, dans lequel nous avons égale- ment repris les résultats publiés par d'autres cher- cheurs [1, 21.
Fréquences (Hz)
- 0,3 0,5 1,4 0,345 0,579 1,111 2,915 0,s
Températures Energie
du pic d'activation Références (OK) (kcal/mole)
- - -
418 14,3 cette étude
433 460 3 69
378 22,8 zt 2 (1)
383 397
403 19 & 6 (2) Ce tableau montre que les résultats que nous avons obtenus ne correspondent pas à la même énergie d'activation que celle déduite par Roberts et al. de leurs essais. Les phénomènes observés sont donc de nature différente, mais compatibles avec un déplace- ment des joints de grains. La figure 1 révèle toutefois que les résultats que nous avons obtenus lors d'essais à fréquence élevée [3] sont en accord avec ceux publiés par Roberts et al. Nous reviendrons sur ce point dans un paragraphe ultérieur.
4. Structure des joints de grains. - Une synthèse des théories de la structure des joints de grains a été présentée par Mc Lean [4] et plus récemment par Roberts [ 5 ] . Chacune de ces théories avait été proposée pour expliquer des propriétés particulières, mais aucune n'a résisté à un essai de généralisation. Le problème de la structure des joints de moyenne et forte désorientation est resté longtemps sans solution bien que les idées de base aient été proposées dès
FIG. 1. - Comparaison des résultats expérimentaux.
1949 [6]. Selon ce modèle de Kronberg et Wilson, un certain nombre d'atomes de chaque grain coïncide avec des positions correspondant au prolongement du réseau cristallin de l'autre grain.
Des travaux plus récents ont contribué à la remise à l'honneur du modèle des sites de coïncidence [7 à 101.
Dans cette théorie, les écarts de coïncidence sont compensés par un ensemble de dislocations de joints et les écarts de planéité le sont par une structure en gradins.
5. Discussion des résultats expérimentaux. - 5 . 1 RESULTATS DE CETTE ÉTUDE. - Les résultats acquis au cours de cette étude fournissent une énergie d'activa- tion proche de celle pour l'autodiffusion aux joints de grains. Ce résultat est conforme à la majorité des résultats publiés récemment sur la relaxation aux joints de grains, lorsque le diamètre moyen des grains n'est pas trop grand.
Puisque des examens au microscope électronique
ont confirmé que les'joints de grains observés dans le
zinc pur sont formés d'alignements de dislocations, ce
résultat suggère que la relaxation des tensions aux
joints de grains se fait par un déplacement du joint
lui-même. Cette interprétation permet de comprendre
les résultats expérimentaux de Washburn et Parker
[ I l ] qui ont observé le mouvement réversible d'un
joint sous l'action d'une tension périodique. Ce mécanisme est, en outre, en accord avec le modèle présenté par Gleiter [IO]. Selon ce dernier, les surfaces des deux grains se déplacent perpendiculairement au plan du joint de grains pour aboutir à sa migration par le truchement d'absorption et d'émission d'atomes.
D'autre part, Cordea et Spretnak [12] ont montré qu'il existait une relation linéaire entre la force de relaxation et l'énergie de défaut d'empilement pour quatre métaux de structure c. f. c. Sur la base de différents résultats expérimentaux, Roberts et Barrand [13] ont également trouvé une relation entre ces deux quantités. Ces chercheurs expliquent cette relation sur la base de la remarque suivante. Puisque les phéno- mènes de relaxation aux joints de grains peuvent se décrire en faisant intervenir des mouvements de dislo- cations de joints, ils seront influencés par la dissocia- tion de ces dislocations et, par conséquent, par l'énergie de défaut d'empilement.
Les résultats que nous avons obtenus concordent avec la relation publiée par Cordea et Spretnak [12]
ainsi que le montre la figure 2. Pour la détermination
r
Cordea 8 S p r e t n a k+
Cette étude.9
5/
théorie convenait particulièrement bien pour traiter nos résultats, Andrade et Aboav [15, 161 ayant montré que la répartition de la taille des grains obéit, dans le cas du zinc notamment, à une loi de Gauss. Le calcul donne, dans le cas de nos résultats, une force de relaxation de 0,148. Quant à la valeur de l'énergie de défaut d'empilement, nous avons adopté la valeur publiée récemment par Sastry et al. [17] :
5.2 RÉSULTATS DE ROBERTS, BARRAND ET LEAK [Il.
-L'énergie d'activation trouvée par ces cher- cheurs correspond à l'énergie d'activation pour l'auto- diffusion en volume dans le zinc, ce qui est conforme aux idées de Kê [18]. On assiste donc dans ce cas à un glissement des joints. Gleiter et al. 1191 ont montré que dans un polycristal, le glissement de deux grains le long de la frontière commune peut s'expliquer sur la base du mouvement conservatif de dislocations de structure particulière, dites dislocations de joints de grains. Nous pensons que l'énergie d'activation plus élevée requise par ce mode de mouvement, et mise en évidence par Roberts et al. [Il, s'explique par le fait que ce processus fait intervenir simultanément un plus grand nombre d'atomes et des dislocations d'un type particulier.
Bibliographie
,
O,&--
+Y 5
5
9 3 a -O8
0 2i IL
9 1
O
111 ROBERTS (G.), BARRAND (P.), LEAK (G. M.), Scripts [6] KRONBERG (M. L.), WILSON (F. H.), Trans. AIME,
Met., 1969, 3 , 409. 1949, 185, 501.
[2] GONDI (P.), MEZZETTI (F.), Ric. Sei., 1966, 8, 671. [71 AUST (K. T.1, RUTTER (J. W.), Tf'an~. AIME, 1959, [3] WEGRIA (J.), GOUZOU (J.), A paraître. 215, 820.
[8] BRANDON (D. G.), RALPH (B.), RANGANATHAN (S.), [4] MC LEAN (D.), Grain boundaries in metals, Clarendon WALD (M.), Acta Met., 1964, 12, 813.
Press, Oxford, 1957. 191 BRANDON (D. G.), Acta Met., 1966. 14. 1479.
6. Conclusions. - La comparaison des résultats
-- obtenus dans cette étude avec ceux publiés par d'autres
chercheurs permet de mieux préciser le mouvement
.- des joints de grains dans le zinc pur. Dans le cas
d'échantillons à grains fins, on observe une migration du joint. Dans le cas d'échantillons à gros grains,
.-
on assiste à un glissement des joints. Un argument en
faveur de cette interprétation est fourni par les résul-
'-
tats de [3] (Fig. 1). En effet, le point obtenu à une
fréquence plus élevée, et qui se situe sur la même
- droite que les résultats de Roberts et al. [l], correspond
[5] ROBERTS (J. T. A.), Magnetomechanical and grain [k] GLEITER (H.), ~ c t a . ~ e t . , 1969, 17, 565.
'boundary damping in metals Ph. D. Thesis, [Il] WASHEURN (J.), PARKER (E. R.), J. Met., 1952, 4, Victoria University, Manchester, 1968. 1076.
O 50 too 150 200 250
à un pic apparaissant à 250 OC. Le fait de porter
Energle de défaut d-empliement ( erg /cm2)
progressivement à une telle température un échantillon de zinc pur entraîne un grossissement du grain, ce qui, FE. 2. - Relation entre la force de relaxation et l'énergie suite à ce que nous avons vu précédemment, peut
de défaut d'empilement. modifier les phénomènes observés.
Les résultats de Gondi et Mezzetti [2] peuvent dès
de la force de relaxation, nous avons appliqué la lors s'expliquer par une structure intermédiaire et
méthode décrite par Nowick et Berry [14]. Cette irrégulière.
C2-86 J. WEGRIA, J. GOUZOU ET L. HABRAKEN
[12] CORDEA (J. N.), SPRETNAK
(J.W.), Traizs. AIME, 1966, [16] ANDRADE (E. N . d~ C.), ABOAV (D. A.), PYOC. Roy.
236, 1685. Soc., 1966, A 291, 18.
ROBERTS
