Soutenance de thèse de Melvyn LARRANAGA

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

Mécanismes élémentaires de la migration des joints de grains couplée au cisaillement
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 $Sigma$41[001](540) 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 soit plus conséquent avec une diminution pouvant aller jusqu'à moins de la moitié de 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 $Sigma$3[110](1$bar{1}$1) (joint de macle) et le $Sigma$41[001](540). Au microscope les lames sont sollicitées en traction sous des températures situées entre 200°C et 480°C. Le joint $Sigma$3[110](1$bar{1}$1) 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 $frac{1}{6}<211>$ identifiée par l'analyse de l'asymétrie de leur contraste pour différents vecteurs de diffraction ($pmb{g}$). 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 $Sigma$41[001](540) 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 défauts environnants tels que les dislocations intragranulaires ou les sous-joints. Des exemples de telles interactions sont décrits et leur rôle possible dans la migration des joints discuté. Enfin une configuration particulière des disconnections, en réseau d'hexagones irréguliers, observée dans le joint $Sigma$3[110](1$bar{1}$1) est analysée. L'exploitation des contrastes MET permet de conclure qu'il s'agit de trois familles de disconnections de type $frac{1}{6}<211>$ ayant un rôle potentiel dans l'accommodation d'une légère déviation dans l'orientation du plan du joint.

Elementary mechanisms of shear coupled grain boundary migration
The shear coupled grain boundary migration of aluminium 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 caracterized the effect of the introduction of a sessile disconnections dipole in a $Sigma$41[001](540) 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 fruitfull. 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 less than 1/2 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 emphasising the ambivalent role of this defect concerning the GB dynamic.
In-situ TEM straining experiments have been performed using thin foils extracted from two differents bicrystals : the $Sigma$3[110](1$bar{1}$1) (known as a twin boundary) and the $Sigma$41[001](540). The samples were deformed under tensile stress in the microscope at temperatures ranging from 280°C to 480°C. Globally the $Sigma$3[110](1$bar{1}$1) GB showed a very low mobility, however some macro-steps associated with intergranular dislocations were seen to ocasionally move in the GB. Yet an intense activity of several disconnections families has been observed among which the $frac{1}{6}<211>$ type family that has been identified using the asymetry of their TEM contrast under several diffraction vectors ($pmb{g}$). These results are compatible with the presence in the GB of a combination of steps of different height and sign. The straining of the $Sigma$41[001](540) GB sometimes results in its shear coupled migration with a measured coupling factor close to a predicted value of the disconnection model. In both bicristals it appears that the GB dynamic and its disconnection distribution are correlated to the interactions with the neighbooring defects like subgrain boundaries and intragranular dislocations. Examples of such interactions are described and their possible implication in the GBs migration is discussed. Finally a particular configuration consisting in an irregular hexagonal network of disconnections observed in the $Sigma$3[110](1$bar{1}$1) GB is analyzed. With the use of the TEM contrasts it has been possible to determine that this network is made of three families of $frac{1}{6}<211>$ type disconnections with a potential role in the accommodation of a slight deviation in the GB plane orientation.