Experimental mesoscale investigation of interface migration in polycrystalline copper
Étude expérimentale mésoscopique de la migration des interfaces dans le cuivre polycristallin
Résumé
A polycrystal is made up of an agglomerate of micrometric single crystals adjoining each other. The interface between two rotated single crystals forms a grain boundary (GB). GBs play an important role in the plastic behaviour of crystalline materials. Under certain conditions of heat (HT) or thermomechanical (TT) treatments, GBs can migrate and cause microstructures to evolve radically. However, these ancient phenomena remain poorly understood and there is no quantitative model describing migration. In this context, we experimentally studied the migration of GB in two grades of electrolytic copper of the same purity. One is delivered in the form of a sheet obtained by cold rolling followed by continuous annealing at 700°C (called copper I), and is recrystallized. The other, supplied as a cylinder (copper II), is partially recrystallized. An initial heat treatment allows to obtain a reference state then different HT and TM are carried out in order to study the migration of the grains boundaries.Our interest lies in the conditions of critical strain hardening (grain growth during germination-free annealing after very low plastic deformation) in order to observe strain-induced migration (Strain Induced Boundary Migration SIBM). The displacement of GB by the mechanism was observed in-situ in SEM. A combined EBSD and AFM measurement technique is used to quantitatively monitor microstructural changes and evaluate the different driving forces involved. The displacement of the GB is precisely quantified thanks to the phenomenon of thermal etching and the existence of stationary points in the EBSD pictures. The stored energy, associated with the dislocation microstructures in each grain, was estimated by two methods, the measurement of local disorientation using KAM mapping and the simulation by a relaxed Taylor model including a physically justified crystal plasticity law and accounting for an isotropic or anisotropic restoration. The curvature of GBs, the 2nd driving force involved, is evaluated from the observed contours of GBs. A migration diagram is drawn and represents the displacements of GBs as a function of estimates of the curvature energy of GB and the difference in stored energy. Significant differences with the behavior of Al polycrystals are noted, certainly due to the difference in stacking fault energy and the existence of numerous twins. From our statistical analysis of copper I using EBSD data, triple junctions seem to strongly influence the migration of GBs.
Un polycristal est constitué par un agglomérat de monocristaux micrométriques accolés les uns aux autres. L’interface entre deux monocristaux tournés constitue un joint de grains (JdG). Les JdGs jouent un rôle important dans le comportement plastique des matériaux cristallins. Sous certaines conditions de traitement thermique (TT) ou de thermomécanique (TM), les JdGs peuvent migrer et font évoluer profondément les microstructures. Ces phénomènes anciens restent toutefois mal connus et il n’existe pas de modèle quantitatif décrivant la migration. Dans ce contexte, nous avons étudié expérimentalement la migration des JdGs dans deux nuances de cuivre électrolytique de même pureté. L’un livré sous la forme d’une tôle obtenue par le laminage à froid suivi d’un recuit continu à 700°C (que l’on nommera cuivre I), est recristallisé. L’autre, fourni sous forme de cylindre (cuivre II) est partiellement recristallisé. Un traitement thermique initial permet d’obtenir un état de référence puis différents TT et TM sont effectués afin d’étudier la migration des joints.Nous recherchons les conditions de l’écrouissage critique (croissance de grains lors de recuit sans germination après très faible déformation plastique) afin d’observer la migration induite par déformation (Strain Induced Boundary Migration SIBM). Le déplacement de JdG par ce mécanisme a été observé in-situ sous le MEB. Une technique de mesure combinée EBSD et AFM est utilisé pour suivre de manière quantitative les évolutions microstructurales et évaluer les différentes forces motrices en présence. Le déplacement des JdGs est quantifié précisément grâce aux phénomènes de gravure thermique et l’existence de points fixes dans les clichées EBSD. L’énergie stockée, associée aux microstructures de dislocations dans chaque grain a été estimée par deux méthodes, la mesure de la désorientation locale à l’aide de cartographie de KAM et la simulation par modèle de Taylor relâché incluant un modèle de plasticité cristalline justifié physiquement et incluant une restauration isotrope ou anisotrope. La courbure des JdGs, 2nde force motrice en présence, est évaluée à partir des contours des JdGs expérimentaux. Un diagramme de migration a été tracé en fonction des déplacements de JdGs liant à l’énergie de courbure de JdG et à la différence d’énergie stockée. Il ressort des différences significative avec le comportement du polycristal d’Al, notamment liées à la différence d’énergie de faute d’empilement et l’existence de nombreuse macles. Le joint triple semble fortement influer le déplacement des JdGs qui a été étudié statistiquement pour le cuivre I à l’aide de donnée EBSD.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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