Microband formation in shock-loaded and quasi-statically deformed metals

A systematic examination of microbands developed in various materials, including pure Al, Cu, Ag, Nb metals and Al-Mg, 6061 Al and Al-Li-Cu alloys, deformed dynamically or quasi-statically to intermediate strains has been conducted. Based on extensive characterization of microbands using transmission electron microscopy, the characteristics of microbands do not appear to be strongly dependent on crystal structure, material properties, strain level or deformation path. This finding suggests that the formation mechanism of microbands may be similar in a variety of f.c.c. and b.c.c. metals and alloys. A possible microband formation mechanism is proposed, based on a concept of the further development of coarse slip bands (or dislocation tangles on glide planes), which is consistent with experimental observations. The model involves first the generation of polarized dislocations on primary slip systems, followed by an annihilation process for the primary dislocations in the central portion of a band structure, forming double dislocation walls parallel to the primary slip planes. Misorientation inside the double walls is believed to be caused by the directional shear of primary dislocations. Secondary slip is then induced by the internal stresses in the region between the double walls. Finally a stable dislocation configuration is created as a result of the interaction between the primary and secondary dislocations. The proposed model is in agreement with several observed phenomena, including the constancy of microband thickness, tilt axis, shear sense, and uniform shear strain over the cross-section of a microband. The roles of stacking fault energy, solute atoms and precipitates on microband formation are also discussed. Nous avons réalisé une étude systématique des microbandes qui se développent dans différents matériaux (en particulier, les métaux purs Al, Cu, Ag et Nb et les alliages Al-Mg, Al 6061 et Al-Li-Cu) déformés dans des conditions dynamiques ou quasi-statiques jusqu'à des taux de déformation intermédiaires. En nous basant sur une caractérisation approfondie des microbandes par microscopie électronique en transmission, nous montrons que leurs caractéristiques ne semblent pas dépendre fortement de la structure cristalline, des propriétés des matériaux, du niveau de déformation ou du trajet de déformation. Ceci suggère que le mécanisme de formation des microbandes peut être identique dans différents métaux et alliages c.f.c. et c.c. Nous proposons un mécanisme possible pour la formation des microbandes basé sur un développement ultérieur des bandes de glissement épaisses (ou des écheveaux de dislocations sur les plans de glissement) qui concorde avec les observations expérimentales. Ce modèle suppose au départ la création de dislocations polarisées sur les systèmes de glissement primaires, puis un processus d'annihilation pour les dislocations primaires dans la partie centrale d'une structure de bande, ce qui conduit à la formation de doubles parois de dislocations, parallèles aux plans de glissement primaires. On pense que la désorientation à l'intérieur des doubles parois est due au cisaillement des dislocations primaires dans une direction bien précise. Le glissement secondaire est ensuite induit par les contraintes internes dans les régions comprises entre les doubles parois. Enfin, l'interaction entre les dislocations primaires et secondaires crée une configuration stable de dislocations. Le modèle proposé est en accord avec plusieurs phénomènes observés tels que la régularité de l'épaisseur des microbandes, l'axe de flexion, le sens du cisaillement et la cission uniforme sur la section entière d'une microbande. Nous discutons également le rôle de l'énergie de faute d'empilement, des atomes de soluté et des précipités sur la formation des microbandes. Die Mikrobänder, die sich in verschiedenen Materialien, darunter reinem Al, Cu, Ag, Nb und Al-Mg, 6061 AL- und Al-Li-Cu-Legierungen, oder quasi-statischer Verformung bis zu mittleren Dehnungen entwickeln, wurden systematisch untersucht. Ausgiebige elektronenmikroskopische Untersuchung der Mikrobänder zeigt, daβ deren Charakteristika nicht stark von Kristallstruktur, Materialeigenschaften, Dehnungsniveau oder Verformungsweg abhängen. Dieses Ergebnis führt zu der Annahme, daβ der Bildungs-mechanismus in einer Reihe von kfz. und krz. Metallen und Legierungen ähnlich ist. Ein möglicher Mechanismus wird vorgeschlagen; er beruht auf einem Konzept der weiteren Entwicklung grober Gleitbänder (oder von Versetzungsknäueln auf der Gleitebene), der mit den Experimenten verträglich ist. Zuerst bilden sich polarisierte Versetzungen in den primären Gleitsystemen, danach annihilieren sich die Versetzungen im Zentralbereich der Bandstruktur, wobei sich doppelte Versetzungswände parallel zur primären Gleitebene bilden. Die Fehlorientierung innerhalb der Doppelwände wird hierbei als Folge der gerichteten Scherung durch die Primärversetzungen angesehen. Danach wird Sekundärgleitung durch die inneren Spannungen im Innern der Doppelwände induziert. Schlieβlich bildet sich eine stabile Versetzungskonfiguration als Ergebnis der Wechselwirkung zwischen primären und sekundären Versetzungen. Das vorgeschlagene Modell stimmt mit mehreren beobachteten Erscheinungen überein, einschlieβlich der Konstanz der Dicke der Mikrobänder, der Kippachse, der Richtung der Scherung und der gleichmäβigen Scherverformung über den Querschnitt eines Mikrobandes. Die Rolle von Stapelfehlerenergie, gelösten Atomen und Ausscheidungen auf die Bildung von Mikrobändern wird auβerdem betrachtet.