CONTRIBUTION OF GRAIN BOUNDARIES WITH MATCHING PLANES TO INTERNAL FRICTION

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In nanocrystalline metals, there are grain boundaries that, under the influence of shear stresses applied along them, move along the normal. Such boundaries combine two types of the grain boundary deformation - mutual grain slippage along the boundary and its migration. This relationship is easily explained in the model of intercrystalline boundaries with mating crystallographic planes. By solving the differential equation under the action of alternating voltage, the functional dependence of the boundary displacement on the coordinate and time is found. Based on this, the value of the energy dissipated during the oscillation period and the expression for the internal friction caused by the contribution of such boundaries are found. It has the character of a Debye peak. The activation energy of the process is equal to the activation energy of the grain boundary self-diffusion. An atomic mechanism of the boundary motion is proposed, which is based on diffusion processes between extended steps of atomic scale in the boundary.

About the authors

Viktor G. Kul'kov

National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Email: vikulkov@yandex.RUS
Volzhsky, Russia

References

  1. Орлов, А.Н. Границы зерен в металлах / А.Н. Орлов, В.Н. Перевезенцев, В.В. Рыбин. - М.: Металлургия, 1980. - 154 с.
  2. Глейтер, Г. Большеугловые границы зерен / Г. Глейтер, Б. Чалмерс. - М.: Мир, 1975. - 375 с.
  3. Molodov, D.A. Migration of specific planar grain boundaries in bicrystals: application of magnetic fields and mechanical stresses / D.A. Molodov, T. Gorkaya, C. Günster, G. Gottstein // Frontiers of Materials Science in China. - 2010. - V. 4. - I. 3. - P. 291-305. doi: 10.1007/s11706-010-0080-6.
  4. Sheikh-Ali, A.D. Sliding behaviour of symmetric tilt near ∑=25 {1 16} boundary in zinc bicrystals / A.D. Sheikh-Ali, J.A. Szpunar // Materials Science and Engineering: A. - 1998. - V. 245. - I. 1. - P. 49-54. doi: 10.1016/s0921-5093(97)00697-7.
  5. Sheikh-Ali, A.D. Sliding behaviour of ∑= 9 {1 12} symmetric tilt boundary in zinc bicrystals / A.D. Sheikh-Ali, F.F. Lavrentyev, Y.G. Kazarov // Acta Materialia. - 1997. - V. 45. - I. 11. - P. 4505-4512. doi: 10.1016/S1359-6454(97)00119-5.
  6. Sheikh-Ali, A.D. Coupling of grain boundary sliding and migration within the range of boundary specialness / A.D. Sheikh-Ali // Acta Materialia. - 2010. - V. 58. - I. 19. - P. 6249-6255. doi: 10.1016/j.actamat.2010.07.043.
  7. Gorkaya, T. Concurrent grain boundary motion and grain rotation under an applied stress / T. Gorkaya, K.D. Molodov, D.A. Molodov, G. Gottstein // Acta Materialia. - 2011. - V. 59. - I. 14. - P. 5674-5680. doi: 10.1016/j.actamat.2011.05.042.
  8. Molodov, D.A. Mechanically driven migration of 〈100〉 tilt grain boundaries in Al-bicrystals / D.A. Molodov, T. Gorkaya, G. Gottstein. // Materials Science Forum. - 2007. - V. 558-559. - P. 927-932. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.558-559.927' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.558-559.927.
  9. Suzuki, A. Atomic mechanism of grain boundary migration / A. Suzuki, Y. Mishin // Materials Science Forum. - 2005. - V. 502. - P. 157-162. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.502.157' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.502.157.
  10. Карькина, Л.Е. Зернограничное проскальзывание и миграция специальных границ зерен в бикристаллах Al. Атомистическое моделирование / Л.Е. Карькина, И.Н. Карькин, А.Р. Кузнецов, Ю.Н. Горностырев // Физика твердого тела. - 2018. - Т. 60. - вып. 10. - С. 1874-1881. doi: 10.21883/FTT.2018.10.46511.099.
  11. Rahman, M.J. A comprehensive molecular dynamics study of low angle grain boundary mobility in a pure aluminum system / M.J. Rahman, H.S. Zurob, J.J. Hoyt // Acta Materialia. - 2014. - V. 74. - P. 39-48. doi: 10.1016/j.actamat.2014.03.063.
  12. Cahn, J.W. Coupling grain boundary motion to shear deformation / J.W. Cahn, Y. Mishin, A. Suzuki // Acta Materialia. - 2006. - V. 54. - I. 19. - P. 4953-4975. doi: 10.1016/j.actamat.2006.08.004.
  13. Maier, A.-K. Theoretical modelling of grain boundary anelastic relaxations / A.-K. Maier, D. Mari, I. Tkalcec, R. Schaller // Acta Materialia. - 2014. - V. 74. - P. 132-140. doi: 10.1016/j.actamat.2014.04.016.
  14. Ovid'ko, I.A. Free surface effects on stress-driven grain boundary sliding and migration processes in nanocrystalline materials / I.A. Ovid'ko, A.G. Sheinerman // Acta Materialia. - 2016. - V. 121. - P. 117-125. doi: 10.1016/j.actamat.2016.08.082.
  15. Berbenni, S. A micromechanics-based model for shear-coupled grain boundary migration in bicrystals / S. Berbenni, B. Paliwal, M. Cherkaoui // International Journal of Plasticity. - 2013. - V. 44. - P. 68-94. doi: 10.1016/j.ijplas.2012.11.011.
  16. Hadian, R. Atomistic migration mechanisms of atomically flat, stepped, and kinked grain boundaries / R. Hadian, B. Grabowski, C.P. Race, J. Neugebauer // Physical Review B. - 2016. - V. 94. - I. 16. - P. 165413-1-165413-10. doi: 10.1103/PhysRevB.94.165413.
  17. Горелик, С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов / С.С. Горелик, С.В. Добаткин, Л.М. Капуткина. - М.: МИСИС, 2005. - 432 с.
  18. Caillard, D. Grain-boundary shear-migration coupling. II. Geometrical model for general boundaries / D. Caillard, F. Mompiou, M. Legros // Acta Materialia. - 2009. - V. 57. - I. 8. - P. 2390-2402. doi: 10.1016/j.actamat.2009.01.023.
  19. Ralphp, B. The structure of grain boundaries. A model based on planar watching / B. Ralphp, P.R. Howell, T.F. Page // Physica Status Solidi b. - 1973. - V. 55. - I. 2. - P. 641-652. doi: 10.1002/pssb.2220550220.
  20. Gronsky, R. Direct observations of plane matching by lattice imaging electron microscopy / R. Gronsky, G. Thomas // Scripta Metallurgica. - 1977. - V. 11. - I. 9. - P. 791-794. doi: 10.1016/0036-9748(77)90077-1.
  21. Pumphrey, P.H. A plane matching theory of high angle grain boundary structure / P.H. Pumphrey // Scripta Metallurgica. - 1972. - V. 6. - I. 2. - P. 107-114. doi: 10.1016/0036-9748(72)90260-8.
  22. Schindler, R. On grain boundary dislocations in plane matching grain boundaries / R. Schindler, J.E. Clemans, R.W. Balluffi // Physica Status Solidi a. - 1979. - V. 56. - I. 2. - P. 749-761. doi: 10.1002/pssa.2210560243.
  23. Randle, V. The coincident axial direction (CAD) approach to grain boundary structure / V. Randle, B. Ralph // Journal of Materials Science. - 1988. - V. 23. - I. 3. - P. 934-940. doi: 10.1007/BF01153992.
  24. Федоров, Ю.А. Межкристаллитное проскальзывание по границе с сопрягающимися плоскостями / Ю.А. Федоров // Физика металлов и металловедение. - 1991. - № 7. - С. 67-72.
  25. Даринский, Б.М. Движение межкристаллитной границы сопрягающихся плоскостей / Б.М. Даринский, В.Г. Кульков // Сборник научных трудов "Физика и технология материалов электронной техники". - Воронеж: Изд-во Воронежского политехнического института, 1992. - С. 114-117.
  26. Хирт, Дж. Теория дислокаций / Дж. Хирт, И. Лоте. - М.: Атомиздат, 1972. - 599 с.
  27. Кульков, В.Г. Миграция несоразмерной межкристаллитной границы и граничная самодиффузия / В.Г. Кульков // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2022. - Т. 24. - № 4. - С. 475-482. doi: 10.17308/kcmf.2022.24/10552.
  28. Новик, А. Релаксационные явления в кристаллах / А. Новик, Б. Берри. - М.: Атомиздат, 1975. - 472 с.
  29. Блантер, М.С. Метод внутреннего трения в металловедческих исcледованиях / М.С. Блантер, Ю.В. Пигузов, Г.М. Ашмарин и др. - М.: Металлургия, 1991. - 248 с.
  30. Чувильдеев, В.Н. Неравновесные границы зерен в металлах. Теория и приложения / В.Н. Чувильдеев. - М.: Физматлит, 2004. - 304 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).