Effect of grain boundaries on the deformation and fracture of metallic polycrystals
Authors:   , Nieto Valeiras María Eugenia 
Published: June 2024

Metallic materials stand for the standard materials for structural applications in engineering. However, the strength of pure metals is rather limited due to the development of plastic deformation by dislocation slip. Different strengthening mechanisms have been employed to create obstacles that hinder dislocation motion through the crystalline lattice. Grain boundaries stand among the strongest barriers to dislocation slip in polycrystals, playing a critical role in their mechanical properties. However, grain boundaries can trigger damage, induce size effects such as the Hall-Petch effect, or weaken the material due to irradiation and hydrogen embrittlement. Designing materials with grain boundaries resistant to such effects is essential for increasing the lifespan and safety of critical components and requires understanding the interaction of dislocations with grain boundaries. The experimental evidence has revealed dislocations can transfer slip to the neighbor grain through the grain boundary in some cases, while dislocation pile-ups are formed in other grain boundaries. Nevertheless, there is still no general agreement on the criteria to predict slip transfer in polycrystalline materials.

This thesis aims to analyze the mechanisms of dislocation/grain boundary interaction in metallic polycrystals from the experimental and simulation viewpoints. The occurrence of slip transfer and blocking has been analyzed in thin pure nickel (face-centered cubic) and pure titanium (hexagonal close-packed) polycrystals. State-of-the-art experimental techniques, such as electron backscatter diffraction-based slip trace analysis, diffraction contrast tomography, and high-resolution digital image correlation, have been used to characterize the microstructure and determine the conditions for slip transfer. In particular, diffraction contrast tomography was employed to determine the effect of the three-dimensional grain boundary geometry on slip transfer, and high-resolution digital image correlation was used to account for the effect of the local stress state around grain boundaries. A large database of slip transfer/blocking events acquired in nickel and titanium was used to validate/disprove the accuracy of the geometrical criteria for slip transfer across grain boundaries available in the literature.

In addition, an existing crystal plasticity model was extended to include the strengthening effect of grain boundaries and the possibility of slip transfer on the mechanical behavior of face-centered cubic and hexagonal close-packed polycrystals. A variety of geometrical slip transfer criteria were successfully implemented and were used to simulate the effect of grain size on the flow strength of face-centered cubic and hexagonal close-packed polycrystals by means of computational homogenization. The simulations were validated against experimental data of the tensile response of well-annealed cubic and hexagonal polycrystals found in the literature. Subsequently, the effect of slip transfer on intergranular fracture was studied through the insertion of cohesive surfaces at the grain boundaries of polycrystalline foils to determine the effect of grain boundary character and geometry on the strength and fracture of metallic polycrystals.

RESUMEN

Los materiales metálicos suelen ser los materiales estándar para aplicaciones estructurales en ingeniería. Sin embargo, la resistencia de los metales puros es bastante limitada debido al desarrollo de la deformación plástica por deslizamiento de dislocaciones. Se han empleado distintos mecanismos de endurecimiento para crear obstáculos que dificulten el movimiento de las dislocaciones a través de la red cristalina. Los bordes de grano se encuentran entre las barreras más fuertes al deslizamiento de dislocaciones en policristales, desempeñando un papel crítico en sus propiedades mecánicas. Sin embargo, los bordes de grano pueden provocar daños, inducir efectos de tamaño como el efecto Hall-Petch o debilitar el material debido a la irradiación y la fragilización por hidrógeno. Diseñar materiales con bordes de grano resistentes a estos efectos es esencial para alargar la vida útil y la seguridad de los componentes críticos y requiere comprender la interacción entre las dislocaciones y los bordes de grano. Las pruebas experimentales han revelado que, en algunos casos, las dislocaciones pueden transferir deslizamiento al grano vecino a través del borde de grano (slip transfer), mientras que en otros bordes de grano se forman apilamientos de dislocaciones (slip blocking). Sin embargo, aún no existe un acuerdo general sobre los criterios para predecir el slip transfer en materiales policristalinos.

Esta tesis tiene como objetivo analizar los mecanismos de interacción dislocación/borde de grano en policristales metálicos desde el punto de vista experimental y de simulación numérica. Se ha analizado la ocurrencia de slip transfer/blocking en policristales delgados de níquel puro (red cúbica centrada en las caras) y titanio puro (red hexagonal compacta). Se han utilizado técnicas experimentales de última generación, como el análisis de trazas de deslizamiento basado en la difracción de electrones retrodispersados, la tomografía de difracción de contraste y la correlación digital de imágenes de alta resolución, para caracterizar la microestructura y determinar las condiciones para el slip transfer. En particular, la tomografía de difracción de contraste se empleó para determinar el efecto de la geometría tridimensional de los bordes de grano en el slip transfer, y la correlación digital de imágenes de alta resolución se utilizó para tener en cuenta el efecto del estado de tensiones locales alrededor de los bordes de grano. Se utilizó una amplia base de datos de eventos de slip transfer/blocking adquiridos en níquel y titanio para validar/desaprobar la precisión de los criterios geométricos de slip transfer disponibles en la bibliografía.

Además, se amplió un modelo existente de plasticidad cristalina para incluir el efecto endurecedor de los bordes de grano y la posibilidad de slip transfer en el comportamiento mecánico de policristales cúbicos centrados en las cara y hexagonales compactos. Se implementaron con éxito diversos criterios geométricos de slip transfer y se utilizaron para simular el efecto del tamaño de grano en la resistencia mecánica de los policristales mediante homogeneización computacional. Las simulaciones se validaron frente a datos experimentales de la respuesta a la tracción de policristales cúbicos y hexagonales encontrados en la bibliografía. Posteriormente, se estudió el efecto del slip transfer en la fractura intergranular mediante la inserción de superficies cohesivas en los bordes de grano de láminas policristalinas para determinar el efecto del carácter y la geometría de los bordes de grano en la resistencia y la fractura de policristales metálicos.