Review: Nonequilibrium grain boundaries in bulk nanostructured metals and their recovery under the influences of heating and cyclic deformation

Received: 28 April 2018; Revised: 05 July 2018; Accepted: 09 July 2018
Citation: A.A. Nazarov. Review: Nonequilibrium grain boundaries in bulk nanostructured metals and their recovery under the influences of heating and cyclic deformation. Letters on Materials, 2018, 8(3) 372-381
BibTex   DOI: 10.22226/2410-3535-2018-3-372-381

Abstract

Extrinsic grain boundary dislocations (EGBDs) are formed in grain boundaries during plastic deformation of polycrystals
EGBDs cause a nonequilibrium structure of grain boundaries, long-range stress fields and enhanced energy
Nonequilibrium grain boundaries are typical for bulk nanomaterials processed by plastic deformation mnethodsBulk nanostructured, or ultrafine-grained (UFG) metals and alloys produced by severe plastic deformation (SPD) methods have grain boundaries (GBs), which are in a specific, non-equilibrium state associated with extrinsic grain boundary dislocations (EGBDs) introduced into the boundaries during deformation. In the present review, the origin of this state is analyzed basing on the results of studies of large plastic deformations, according to which during straining the GBs accumulate mesodefects consisting of Rybin disclinations at triple junctions and tangential EGBD arrays and inherit them after removing the load. The main experimental evidences of the nonequilibrium character of GBs in as-prepared nanostructured materials are presented. Main ideas and results of the structural model of UFG metals based on the physics of dislocations and disclinations are overviewed. The latest works on molecular dynamics simulations carried out to explore the detailed atomic structure of disclinations and nonequilibrium GBs are considered and their results are compared to the predictions of the structural model. Mechanisms and kinetics of diffusion controlled recovery of nonequilirium GBs are described. An alternative mechanism of athermal relaxation of nonequilirium GB structure under the action of oscillating stresses has been most recently discovered and elucidated experimentally and by means of computer simulations. The main results of these studies are shortly reviewed too.

References (82)

1.
P. H. Pumphrey, H. Gleiter. Philos. Mag. 32, 881 (1975). DOI: 10.1080/14786437508221629
2.
R. Z. Valiev, V. Yu. Gertsman, O. A. Kaibyshev. Phys. Status Solidi A. 78, 97 (1983). DOI: 10.1002/pssa.2210780121
3.
R. Z. Valiev, V. Yu. Gertsman, O. A. Kaibyshev. Phys. Status Solidi A. 97, 11 (1986). DOI: 10.1002/pssa.2210970102
4.
A. A. Nazarov, A. E. Romanov, R. Z. Valiev. Acta Metall. Mater. 41, 1033 (1993). DOI: 10.1016/0956-7151(93)90152‑I
5.
D. J. Dingley, R. C. Pond. Acta Metall. 27, 667 (1979). DOI: 10.1016/0001-6160(79)90018‑X
6.
R. Z. Valiev, A. V. Korznikov, R. R. Mulyukov. Phys. Metals Metallogr. 73, 70 (1992).
7.
R. Z. Valiev, A. V. Korznikov, R. R. Mulyukov. Mater. Sci. Eng. A 168, 141 (1993). DOI: 10.1016/0921-5093(93)90717‑S
8.
N. I. Noskova, R. R. Mulyukov. Submicrocrystalline and nanocrystalline metals and alloys. Ekaterinburg, Ural Branch RAS (2003) 279 p. (in Russian) [Н. И. Носкова, Р. Р. Мулюков. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы. Екатеринбург, УрО РАН (2003) 279 с.]
9.
R. R. Mulyukov, A. A. Nazarov, R. M. Imayev. Mater. Sci. Forum. 584 – 586, 29 (2008). DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.584-586.29
10.
R. Z. Valiev, A. P. Zhilyaev, T. G. Langdon. Bulk nanostructured materials: fundamentals and applications. Wiley, Hoboken (2013) 440 p.
11.
A. A. Nazarov, R. R. Mulyukov. In: Handbook of Nanoscience, Engineering, and Technology (Eds. W. Goddard, D. Brenner, S. Lyshevski, G. Iafrate). CRC Press, Boca Raton (2003). P. 22‑1‑22‑41.
12.
X. Sauvage, G. Wilde, S. V. Divinsky, Z. Horita, R. Z. Valiev. Mater. Sci. Eng. A. 540, 1 (2012). DOI: 10.1016/j.msea.2012.01.080
13.
P. Kumar, M. Kawasaki, T. G. Langdon. J. Mater. Sci. 51, 7 (2016). DOI: 10.1007/s10853‑015‑9143‑5
14.
A. A. Nazarova, S. V. Dmitriev, Y. A. Baimova, R. R. Mulyukov, A. A. Nazarov. Phys. Metals Metallogr. 111, 513 (2011). DOI: 10.1134/S0031918X11040090
15.
A. A. Nazarov. Rev. Adv. Mater. Sci. 47, 42 (2016).
16.
A. A. Nazarov. Letters on Materials. 6(3), 179 (2016). DOI: 10.22226/2410‑3535‑2016‑3‑179‑182
17.
A. A. Nazarov, R. T. Murzaev. J. Metast. Nanocr. Mater. 30, 1 (2018). DOI: 10.4028/www.scientific.net/JMNM.30.1
18.
A. A. Nazarov, R. T. Murzaev. Letters on materials. 8(1), 5 (2018). DOI: 10.22226/2410‑3535‑2018‑1‑5‑10
19.
A. A. Nazarov, R. T. Murzaev. Comp. Mater. Sci. 151, 204 (2018). DOI: 10.1016/j.commatsci.2018.05.015
20.
A. A. Nazarova, R. R. Mulyukov, Yu. V. Tsarenko, V. V. Rubanik, A. A. Nazarov. Mater. Sci. Forum. 667 – 669, 605 (2011). DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.667-669.605
21.
A. A. Nazarov, A. A. Samigullina, R. R. Mulyukov, Yu. V. Tsarenko, V. V. Rubanik. J. Machinery Manuf. Reliability. 43, 153 (2014). DOI: 10.3103/S1052618814020113
22.
A. A. Samigullina, A. A. Nazarov, R. R. Mulyukov, Yu. V. Tsarenko, V. V. Rubanik. Rev. Adv. Mater. Sci. 39, 48 (2014).
23.
A. A. Samigullina, R. R. Mulyukov, A. A. Nazarov, A. A. Mukhametgalina, Y. V. Tsarenko, V. V. Rubanik. Letters on materials. 4(1), 52 (2014). (in Russian) [А. А. Самигуллина, Р. Р. Мулюков, А. А. Назаров, А. А. Мухаметгалина, Ю. В. Царенко, В. В. Рубаник. Письма о материалах. 4(1), 52 (2014).] DOI: 10.22226/2410‑3535‑2014‑1‑52‑54
24.
A. A. Mukhametgalina, A. A. Samigullina, S. N. Sergeyev, A. P. Zhilyaev, A. A. Nazarov, Yu. R. Zagidullina, N. Yu. Parkhimovich, V. V. Rubanik, Yu. V. Tsarenko. Letters on materials. 7(2), 85 (2017). (in Russian) [А. А. Мухаметгалина, А. А. Самигуллина, С. Н. Сергеев, А. П. Жиляев, А. А. Назаров, Ю. Р. Загидуллина, Н. Ю. Пархимович, В. В. Рубаник, Ю. В. Царенко. Письма о материалах. 7(2), 85 (2017).] DOI: 10.22226/2410‑3535‑2017‑2‑85‑90
25.
A. A. Samigullina, A. A. Mukhametgalina, S. N. Sergeyev, A. P. Zhilyaev, A. A. Nazarov, Yu. R. Zagidullina, N. Yu. Parkhimovich, V. V. Rubanik, Yu. V. Tsarenko. Ultrasonics. 82, 313 (2018). DOI: 10.1016/j.ultras.2017.09.005
26.
D. V. Bachurin, R. T. Murzaev, J. A. Baimova, A. A. Samigullina, K. A. Krylova. Letters on Materials. 6(3), 183 (2016). (in Russian) [Д. В. Бачурин, Р. Т. Мурзаев, Ю. А. Баимова, А. А. Самигуллина, К. А. Крылова. Письма о материалах. 6(3), 183 (2016).] DOI: 10.22226/2410‑3535‑2016‑3‑183‑188
27.
R. T. Murzaev, D. V. Bachurin, A. A. Nazarov. Phys. Metals Metallogr. 118, 621 (2017). DOI: 10.1134/S0031918X17070079
28.
D. V. Bachurin, R. T. Murzaev, A. A. Nazarov. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 25, 085010 (2017). DOI: 10.1088/1361-651X/aa9199
29.
R. T. Murzaev, D. V. Bachurin, A. A. Nazarov. Phys. Metals Metallogr. 118, 621 (2017). DOI: 10.1134/S0031918X17070079
30.
R. T. Murzaev, D. V. Bachurin, A. A. Nazarov. Int. J. Solids Structures, accepted (2018). DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2018.06.007
31.
A. Hasnaoui, H. Van Swygenhoven, P. M. Derlet. Acta Mater. 50, 3927 (2002). DOI: 10.1016/S1359-6454(02)00195-7
32.
G. J. Tucker, D. L. McDowell. Int. J. Plast. 27, 841 (2011). DOI: 10.1016/j.ijplas.2010.09.011
33.
T. J. Rupert, C. A. Schuh. Philos. Mag. Lett. 92, 20 (2012). DOI: 10.1080/09500839.2011.619507
34.
V. V. Rybin, A. A. Zisman, N. Yu. Zolotarevskii. Phys. Solid State. 27, 181 (1985).
35.
V. V. Rybin. Large plastic deformations and fracture of metals. Metallurgiya, Moscow (1986) 224 p. (in Russian) [В. В. Рыбин. Большие пластические деформации и разрушение металлов. Москва, Металлургия (1986) 224 с.]
36.
V. V. Rybin, A. A. Zisman, N. Yu. Zolotarevskii. Acta Metall. Mater. 41, 2211 (1993). DOI: 10.1016/0956-7151(93)90390-E
37.
A. E. Romanov, A. L. Kolesnikova. Progr. Mater. Sci. 54, 740 (2009). DOI: 10.1016/j.pmatsci.2009.03.002
38.
T. S. Orlova, A. A. Nazarov, N. A. Enikeev, I. V. Alexandrov, R. Z. Valiev, A. E. Romanov. Phys. Solid State 47, 845 (2005). DOI: 10.1134/1.1924843
39.
T. S. Orlova, A. E. Romanov, A. A. Nazarov, N. A. Enikeev, I. V. Alexandrov, R. Z. Valiev. Techn. Phys. Lett. 31, 1015 (2005). DOI: 10.1134/1.2150885
40.
A. A. Nazarov, N. A. Enikeev, T. S. Orlova, A. E. Romanov, I. V. Alexandrov, I. J. Beyerlein, R. Z. Valiev. Acta Materialia. 54, 985 (2006). DOI: 10.1016/j.actamat.2005.10.025
41.
G. F. Sarafanov, V. N. Perevezentsev. Techn. Phys. Lett. 35, 302 (2009). DOI: 10.1134/S106378500904004X
42.
V. V. Rybin, V. N. Perevezentsev, Yu. V. Svirina. Techn. Phys. 61, 898 (2016). DOI: 10.1134/S1063784216060190
43.
V. V. Rybin, V. N. Perevezentsev, Yu. V. Svirina. Phys. Metals Metallogr. 118, (2017) 1171. DOI: 10.1134/S0031918X17120110
44.
V. V. Rybin, V. N. Perevezentsev, Yu. V. Svirina. Techn. Phys. 62, 745 (2017). DOI: 10.1134/S1063784217050255
45.
T. Simokawa, T. Yamashita, T. Niiyama, N. Tsuji. Mater. Trans. 57, 1392 (2016). DOI: 10.2320/matertrans.MH201518
46.
R. Z. Valiev, R. Sh. Musalimov. Phys. Metals Metallogr. 78, 666 (1994).
47.
Z. Horita, D. J. Smith, M. Nemoto, R. Z. Valiev, T. G. Langdon. J. Mater. Res. 13, 446 (1998). DOI: 10.1557/JMR.1998.0057
48.
M. P. Liu, H. J. Roven, X. T. Liu, M. Murashkin, R. Z. Valiev, T. Ungár, L. Balogh. Trans. Nonferrous Metals Soc. China 20, 2051 (2010). DOI: 10.1016/S1003-6326(09)60416-7
49.
H. Rösner, C. Kübel, Y. Ivanisenko, L. Kurmanaeva, S. V. Divinski, M. Peterlechner, G. Wilde. Acta Mater. 59, 7380 (2011). DOI: 10.1016/j.actamat.2011.08.020
50.
K. Reimann, R. Würschum. J. Appl. Phys. 81, 7186 (1997). DOI: 10.1063/1.365307
51.
P. G. Sanders, A. B. Witney, J. R. Weertman, R. Z. Valiev, R. W. Siegel. Materials Sci. Eng. A. 204, 7 (1995). DOI: 10.1016/0921-5093(95)09928‑X
52.
E. Hellstern, H. J. Fecht, Z. Fu, W. L. Johnson. J. Appl. Phys. 65, 305 (1989). DOI: 10.1063/1.342541
53.
J. Languillaume, F. Chmelik, G. Kapelski, F. Bordeaux, A. A. Nazarov, G. Canova, C. Esling, R. Z. Valiev, B. Baudelet. Acta Metall. Mater. 41, 2953 (1993). DOI: 10.1016/0956-7151(93)90110-E
54.
E. Korznikova, E. Schafler, G. Steiner, M. J. Zehetbauer. In: Ultrafine Grained Materials IV (Eds. Y. T. Zhu, T. G. Langdon, Z. Horita, M. J. Zehetbauer, S. L. Semiatin, T. C. Lowe). TMS, Warrendale, USA (2006) P. 97 – 102.
55.
A. P. Zhilyaev, B.‑K. Kim, J. A. Szpunar, M. D. Baro, T. G. Langdon. Mater. Sci. Eng. A. 391, 377 (2005). DOI: 10.1016/j.msea.2004.09.030
56.
P. V. Kuznetsov, T. V. Rakhmatulina, I. V. Belyaeva, A. V. Korznikov. Phys. Metals Metallogr. 118, 241 (2017). DOI: 10.1134/S0031918X17030115
57.
Yu. R. Kolobov, G. P. Grabovetskaya, M. B. Ivanov, A. P. Zhilyaev, R. Z. Valiev. Scripta Mater. 44, 873 (2001). DOI: 10.1016/S1359-6462(00)00699-0
58.
R. Würschum, A. Kübler, S. Gruß, P. Scharwaechter, W. Frank, R. Z. Valiev, R. R. Mulyukov, H.‑E. Schaefer. Ann. Chim.−Sci. Matér. 21, 471 (1996).
59.
V. V. Popov, A. V. Sergeev. Phys. Metals. Metallogr. 118, 1091 (2017). DOI: 10.1134/S0031918X17110126
60.
S. V. Divinsky, G. Reglitz, H. Rösner, Y. Estrin, G. Wilde. Acta Mater. 59, 1974 (2011). DOI: 10.1016/j.actamat.2010.11.063
61.
G. Wilde, J. Ribbe, G. Reglits, M. Wegner, H. Rösner, Y. Estrin, M. Zehetbauer, D. Setman, S. Divinsky. Adv. Eng. Mater. 12, 758 (2010). DOI: 10.1002/adem.200900333
62.
A. A. Nazarov, A. E. Romanov, R. Z Valiev. Nanostr. Mater. 6, 775 (1995). DOI: 10.1016/0965-9773(95)00174-3
63.
A. A. Nazarov, A. E. Romanov, R. Z Valiev. Scripta Mater. 34, 729 (1996). DOI: 10.1016/1359-6462(95)00573-0
64.
A. A. Nazarov. Scripta Mater. 37, 1155 (1997). DOI: 10.1016/S1359-6462(97)00230-3
65.
A. A. Nazarov, A. E. Romanov, R. Z Valiev. Nanostr. Mater. 4, 93 (1994). DOI: 10.1016/0965-9773(94)90131-7
66.
A. A. Nazarov, A. E. Romanov, B. Baudelet. Philos. Mag. Lett. 68, 303 (1993). DOI: 10.1080/09500839308242907
67.
A. A. Nazarov. Ann. Chim.−Sci. Matér. 21, 461 (1996).
68.
J. Hirth, J. Lothe. Theory of dislocations. Wiley, New York (1982).
69.
A. E. Romanov, V. I. Vladimirov. In: Dislocations in Crystals (Ed. F. R.N. Nabarro). North Holland, Amsterdam (1992). P. 191 – 402.
70.
A. I. Mikhailin, A. E. Romanov. Sov. Phys. Solid State 28, 337 (1986).
71.
L. V. Zhigilei, A. I. Mikhailin, A. E. Romanov. Fizika metallov i metallovedenie. 66, 65 (1988). (in Russian) [Л. В. Жигилей, А. И. Михайлин, А. Е. Романов. ФММ. 66, 65 (1988).]
72.
K. Zhou, A. A. Nazarov, M. S. Wu. Phys. Rev. B. 73, 045410 (2006). DOI: 10.1103/PhysRevB.73.045410
73.
M. S. Wu, K. Zhou, A. A. Nazarov. Phys. Rev. B. 76, 134105 (2007). DOI: 10.1103/PhysRevB.76.134105
74.
M. S. Wu, K. Zhou, A. A. Nazarov. Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 14, 1 (2006). DOI: 10.1088/0965-0393/14/4/008
75.
K. Zhou, A. A. Nazarov, M. S. Wu. Phys. Rev. Lett. 98, 035501 (2007). DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.035501
76.
K. Zhou, M. S. Wu, A. A. Nazarov. Acta Mater. 56, 5828 (2008). DOI: 10.1016/j.actamat.2008.07.059
77.
A. A. Nazarov. Interface Sci. 8, 315 (2000). DOI: 10.1023/A:1008720710330
78.
D. V. Bachurin, A. A. Nazarov. Philos. Mag. 83, 2653 (2004). DOI: 10.1080/1478643031000137895
79.
I. Kaur, W. Gust, L. Kozma. Handbook of Grain Boundary and Interphase Boundary Diffusion Data. Ziegler Press, Stuttgart (1989).
80.
I. A. Ovid’ko, A. G. Sheinerman, R. Z. Valiev. Scripta Mater. 76, 45 (2014). DOI: 10.1016/j.scriptamat.2013.12.012
81.
N. A. Tyapunina, E. K. Naimi, G. M. Zinenkova. Ultrasound action on crystals with defects. MSU, Moscow (1999) 238 p. (in Russian) [H. A. Тяпунина, E. K. Наими, Г. М. Зиненкова. Действие ультразвука на кристаллы с дефектами. Москва, Изд-во Моск. ун-та (1999) 238 с.]
82.
A. E. Romanov, A. L. Kolesnikova, T. S. Orlova, I. Hussainova, V. E. Bougrov, R. Z. Valiev. Carbon. 81, 223 (2015). DOI: 10.1016/j.carbon.2014.09.053