Grain Boundaries in Mg: Formation During Solidification and Their Influence on Deformation
Authors:   , Sarebanzadeh Maral 
Published: February 2025

Grain boundaries are crucial microstructural features in polycrystalline materials that significantly influence their mechanical, thermal, and chemical properties. In metallic materials, grain boundaries act as barriers to dislocation motion, preferential sites for phase transformations, and regions of enhanced diffusivity. Despite their importance, the criteria governing the interactions between grain boundaries and deformation mechanisms like slip and twinning are not fully understood yet, particularly in hexagonal close-packed materials such as Mg.

To address this gap, this thesis explores the formation and behavior of grain boundaries in Mg polycrystals through experimental techniques. Mg was chosen for its peculiar plastic deformation mechanisms, that include dislocation slip and twinning, as well as its potential in structural and biomedical applications.

The thesis studies first the grain boundary formation during the solidification of Mg1wt%Gd alloy using ex-situ and in-situ radiography and compares it with phase-field simulations. By varying temperature gradients and growth velocities, the experiments revealed the dynamics of grain growth competition and grain boundary orientation in HCP structures. While similarities to cubic crystals are noted, significant differences underscore the complexity of grain boundary formation in Mg.

The second part of the thesis is focused on the interaction of basal slip and extension twinning (the dominant deformation mechanisms in Mg) with grain boundaries. Experimental techniques such as Electron Backscatter Diffraction and High Resolution Digital Image Correlation were employed to investigate slip transfer and twin nucleation at grain boundaries using ex-situ and in-situ experimental techniques. The active slip systems were identified through analysis of grain rotation resulting from plastic slip, enabling improvements to the geometrical criteria to predict slip transfer or blocking in Mg. Similar techniques were used to assess twin nucleation and variant selection at grain boundaries. A large database of twin nucleation events was analyzed, revealing how grain boundaries and local stresses influence twin formation.

RESUMEN

Los bordes de grano son características microestructurales esenciales en los materiales policristalinos que influyen significativamente en sus propiedades mecánicas, térmicas y químicas. En los materiales metálicos, los bordes de grano actúan como barreras para el movimiento de dislocaciones, sitios preferenciales para transformaciones de fase y regiones de mayor difusividad. A pesar de su importancia, los criterios que gobiernan las interacciones entre los bordes de grano y los mecanismos de deformación como el deslizamiento de dislocaciones y el maclado aún no se comprenden completamente, especialmente en materiales hexagonales compactos, como el Mg.

Para abordar esta laguna, esta tesis explora la formación y el comportamiento de los bordes de grano en policristales de Mg mediante técnicas experimentales. Se eligió el Mg debido a sus peculiares mecanismos de deformación plástica, que incluyen el deslizamiento de dislocaciones en múltiples planos cristalinos y el maclado, así como su potencial en aplicaciones estructurales y biomédicas.

La tesis estudia primero la formación de los bordes de grano durante la solidificación de la aleación Mg1% en peso de Gd utilizando radiografía exsitu e insitu y comparándola con simulaciones de campo de fase. Al variar los gradientes de temperatura y las velocidades de crecimiento, los experimentos revelan la dinámica de los procesos de crecimiento de grano y la orientación de los bordes de grano en estructuras HCP. Aunque se observan similitudes con los cristales cúbicos, las diferencias significativas subrayan la complejidad de la formación de límites de grano en el Mg.

La segunda parte de la tesis se centra en la interacción del deslizamiento basal y el maclado de extensión (los mecanismos de deformación dominantes en el Mg) con los bordes de grano. Se emplearon técnicas experimentales como la difracción de electrones retrodispersados y la correlación digital de imágenes de alta resolución para investigar la transferencia de deslizamiento y la nucleación de maclas en los bordes de grano utilizando técnicas experimentales exsitu e insitu. Los sistemas de deslizamiento activos se identificaron mediante el análisis de la rotación del grano resultante del deslizamiento plástico, lo que permitió mejorar los criterios geométricos para predecir la transferencia o el bloqueo del deslizamiento en el Mg. Se utilizaron técnicas similares para evaluar la nucleación de maclas y la selección de variantes en los bordes de grano. Se analizó una gran base de datos de eventos de nucleación de maclas, revelando cómo los bordes de grano y las tensiones locales influyen en la formación de maclas.