Grain Boundary Relaxation in Bi-Crystals: Mechanical Spectroscopy and Molecular Dynamics Simulations

Abstract

Different Au-Ag-Cu samples have been studied by mechanical spectroscopy. Both polycrystals and bi-crystals show a relaxation peak at 800 K, accompanied by an elastic modulus change. Since this peak is absent in single crystals it is related to the presence of grain boundaries. Molecular dynamics simulations reveal two microscopic mechanisms, when a shear stress is applied onto a Σ5 grain boundary: at 700 K, the boundary migrates perpendicularly to the boundary plane under an external stress. At 1000 K, only sliding at the boundary is observed. These two mechanisms acting in different temperature intervals are used to model the mechanic response of a polycrystal under an applied stress. The models yield expressions for the relaxation strength ∆ and for the relaxation time τ as a function of the grain size. A comparison with the mechanical spectroscopy measurements of polycrystals and the bi-crystals show that the grain boundary sliding model reproduces correctly the characteristics of the grain boundary peak.Keywords: Internal friction grain boundaries, gold alloy, molecular dynamics Różne próbki ze stopów Au-Ag-Cu badano metodą spektroskopii mechanicznej. Zarówno w polikryształach, jak i bikryształach występuje pik relaksacyjny w temperaturze 800 K, któremu towarzyszy zmiana modułu sprężystości. Ponieważ pik ten nie występuje w monokryształach to jego występowanie wiązane jest z obecnością granic ziaren. Symulacje dynamiki molekularnej ujawniają dwa mikroskopowe mechanizmy, gdy naprężenie ścinające jest przyłożone do granicy ziarna Σ5: w temperaturze 700 K, granica przemieszcza się prostopadle do płaszczyzny granicznej pod wpływem zewnętrznego naprężenia. W 1000 K, obserwuje się tylko poślizg po granicy. Te dwa mechanizmy działające w różnych zakresach temperatur są używane do modelowania mechanicznej reakcji polikryształu na przyłożone naprężenie. Modele podają wyrażenie na stopień relaksacji ∆ i czas relaksacji τ w funkcji wielkości ziaren. Porównanie z wynikami badań polikryształów i bikryształów uzyskanych metodą spektroskopii mechanicznej pokazuje, że model poślizgu granicy ziarna poprawnie odtwarza charakterystykę piku pochodzącego od granic ziaren.

Glass-Transition-Like Behavior of Grain Boundaries in Nanocrystalline Gold

“…The sliding motions of grain boundaries in p-metals were intensively investigated by anelasticity measurements 37) . The atomistic process of grain boundary anelasticity was investigated from the experiments using bi-crystals and molecular dynamics simulations 38,39) . Migration of the grain boundaries perpendicular to the boundary plane was attributed to the origin of grain boundary anelasticity at lower temperature, and the sliding motion along the boundary plane was to the origin of anelasticity at higher temperature.…”