Rev. Phys. Appl. (Paris) 23, 479-490 (1988)
DOI: 10.1051/rphysap:01988002304047900

Hardening mechanisms at grain boundaries: a microscopic approach

A. George

Laboratoire de Physique du Solide, UA CNRS 155, Ecole des Mines, Parc de Saurupt, 54042 Nancy Cedex, France

Abstract
Grain-boundary induced hardening mechanisms are illustrated by recent observations in silicon bicrystals. Basic features of grain boundary structure and grain boundary dislocations are given in the case of the Σ = 9 twin boundary. The dissociation of dislocations in grain boundaries and the possibility of direct dislocation transmission from one crystal to the other across the interface are discussed. At moderate temperatures, such mechanisms are difficult and not able to prevent the formation of work hardened regions in the neighbourhood of grain boundaries, right at the onset of plastic deformation. Those regions contain networks with Lomer-Cottrell locks and show evidence of profuse cross-slip. Large stress concentrations arise, that may be against the applied stress. The relevance of these findings for other kinds of grain boundaries and other materials is briefly discussed.

Résumé
Les mécanismes de durcissement par les joints de grains sont illustrés à l'aide d'observations récentes dans des bicristaux de silicium. Après quelques rappels élémentaires sur la structure des joints et des dislocations intergranulaires, appliqués au joint de coincidence Σ = 9, les processus de dissociation des dislocations dans les joints de grain et de transmission des dislocations d'un grain à l'autre sont discutés. A température modérée, ces mécanismes opèrent difficilement et n'empêchent pas la formation au voisinage des joints de régions beaucoup plus écrouies que l'intérieur des grains et où l'on observe, dès la limite élastique, des réseaux de barrières de Lomer-Cottrell, de nombreux indices de glissement dévié et des concentrations de contraintes très élevées, éventuellement opposées à la contrainte appliquée. La généralisation de ces observations à d'autres types de joints et d'autres matériaux est discutée brièvement.

PACS
6170J - Etch pits, decoration, transmission electron microscopy and other direct observations of dislocations.
6170L - Slip, creep, internal friction and other indirect evidence of dislocations.
6170N - Grain and twin boundaries.
6220F - Deformation and plasticity.
6848 - Solid solid interfaces.
8140L - Deformation, plasticity and creep.

Key words
bicrystals -- Cottrell atmospheres -- elemental semiconductors -- hardening -- silicon -- slip -- twin boundaries -- semiconductor -- grain boundaries -- hardening mechanisms -- grain boundary structure -- grain boundary dislocations -- twin boundary -- plastic deformation -- Lomer Cottrell locks -- cross slip -- Si bicrystals