Thermally activated nature of synchro-Shockley dislocations in Laves phases

Abstract

Synchro-Shockley dislocations, as zonal dislocation, are the major carrier of plasticity in Laves phases at high temperatures. The motion of synchro-Shockley dislocations is composed of localized transition events, such as kink-pair nucleation and propagation, which possess small activation volumes, presumably leading to sensitive temperature and strain rate dependence on the Peierls stress. However, the thermally activated nature of synchro-Shockley dislocation motion is not fully understood so far. In this study, the transition mechanisms of the motion of synchro-Shockley dislocations at different shear and normal strain levels are studied. The transition processes of dislocation motion can be divided into shear-sensitive and -insensitive events. The external shear strain lowers the energy barriers of shear-sensitive events. Thermal assistance is indispensable in activating shear-insensitive events, implying that the motion of synchro-Shockley dislocations is prohibited at low temperatures.

Recommended citation: Xie, Chauraud, Atila, Bitzek, Korte-Kerzel, Guénolé. "Thermally Activated Nature of Synchro-Shockley Dislocations in Laves Phases." Scripta Materialia. 235(115588).
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
This study investigates the movement of synchro-Shockley dislocations, which are crucial for the deformation of Laves phases, a class of materials important in many alloys. While Laves phases are strong and resistant to creep at high temperatures, they are brittle at room temperature, limiting their use. The researchers aimed to understand how these dislocations move, as this motion is complex and not fully understood, especially its dependence on temperature and stress. They used advanced computer simulations to model the atomic-level processes involved in dislocation movement under various stress conditions. The key finding is that the motion of synchro-Shockley dislocations is not a simple, continuous process but involves distinct steps. Some steps are sensitive to external stress, meaning stress helps them move. However, other steps are 'shear-insensitive,' meaning stress alone cannot overcome the energy barrier to move them. These shear-insensitive steps require thermal energy (heat) to activate. This implies that at low temperatures, where thermal energy is scarce, these dislocations get stuck, leading to the brittle behavior observed in Laves phases. Understanding this thermal activation is vital for designing Laves phase alloys with improved ductility and broader applications.

🇸🇦 العربية
تدرس هذه الدراسة حركة الانخلاعات المتزامنة-شوكلي، وهي ضرورية لتشوه الأطوار اللافية، وهي فئة من المواد المهمة في العديد من السبائك. في حين أن الأطوار اللافية قوية ومقاومة للزحف في درجات الحرارة العالية، إلا أنها هشة في درجة حرارة الغرفة، مما يحد من استخدامها. هدفت الأبحاث إلى فهم كيفية تحرك هذه الانخلاعات، حيث أن هذه الحركة معقدة وغير مفهومة بالكامل، خاصة اعتمادها على درجة الحرارة والإجهاد. استخدموا محاكاة حاسوبية متقدمة لنمذجة العمليات على المستوى الذري المشاركة في حركة الانخلاع تحت ظروف إجهاد مختلفة. النتيجة الرئيسية هي أن حركة الانخلاعات المتزامنة-شوكلي ليست عملية بسيطة ومستمرة بل تتضمن خطوات متميزة. بعض الخطوات حساسة للإجهاد الخارجي، مما يعني أن الإجهاد يساعدها على الحركة. ومع ذلك، فإن الخطوات الأخرى 'غير حساسة للقص'، مما يعني أن الإجهاد وحده لا يمكنه التغلب على حاجز الطاقة لتحريكها. تتطلب هذه الخطوات غير الحساسة للقص طاقة حرارية (حرارة) للتنشيط. هذا يعني أنه في درجات الحرارة المنخفضة، حيث تكون الطاقة الحرارية نادرة، تعلق هذه الانخلاعات، مما يؤدي إلى السلوك الهش الملاحظ في الأطوار اللافية. يعد فهم هذا التنشيط الحراري أمرًا حيويًا لتصميم سبائك الأطوار اللافية ذات المتانة المحسنة والتطبيقات الأوسع.

🇫🇷 Français
Cette étude examine le mouvement des dislocations synchro-Shockley, cruciales pour la déformation des phases de Laves, une classe de matériaux importante dans de nombreux alliages. Alors que les phases de Laves sont solides et résistantes au fluage à haute température, elles sont fragiles à température ambiante, ce qui limite leur utilisation. Les chercheurs ont cherché à comprendre comment ces dislocations se déplacent, car ce mouvement est complexe et mal compris, notamment sa dépendance à la température et à la contrainte. Ils ont utilisé des simulations informatiques avancées pour modéliser les processus au niveau atomique impliqués dans le mouvement des dislocations sous diverses conditions de contrainte. La principale conclusion est que le mouvement des dislocations synchro-Shockley n'est pas un processus simple et continu, mais implique des étapes distinctes. Certaines étapes sont sensibles à la contrainte externe, ce qui signifie que la contrainte les aide à se déplacer. Cependant, d'autres étapes sont 'insensibles au cisaillement', ce qui signifie que la contrainte seule ne peut pas surmonter la barrière énergétique pour les déplacer. Ces étapes insensibles au cisaillement nécessitent de l'énergie thermique (chaleur) pour s'activer. Cela implique qu'à basse température, où l'énergie thermique est rare, ces dislocations se bloquent, conduisant au comportement fragile observé dans les phases de Laves. Comprendre cette activation thermique est essentiel pour concevoir des alliages de phase de Laves avec une ductilité améliorée et des applications plus larges.

🇩🇪 Deutsch
Diese Studie untersucht die Bewegung von Synchro-Shockley-Versetzungen, die für die Verformung von Laves-Phasen entscheidend sind, einer Materialklasse, die in vielen Legierungen wichtig ist. Während Laves-Phasen bei hohen Temperaturen stark und kriechbeständig sind, sind sie bei Raumtemperatur spröde, was ihre Anwendung einschränkt. Die Forscher wollten verstehen, wie sich diese Versetzungen bewegen, da diese Bewegung komplex und nicht vollständig verstanden ist, insbesondere ihre Abhängigkeit von Temperatur und Spannung. Sie nutzten fortschrittliche Computersimulationen, um die atomaren Prozesse zu modellieren, die an der Versetzungsbewegung unter verschiedenen Spannungsbedingungen beteiligt sind. Die wichtigste Erkenntnis ist, dass die Bewegung von Synchro-Shockley-Versetzungen kein einfacher, kontinuierlicher Prozess ist, sondern verschiedene Schritte beinhaltet. Einige Schritte sind spannungsempfindlich, was bedeutet, dass die Spannung ihnen hilft, sich zu bewegen. Andere Schritte sind jedoch 'scherunempfindlich', was bedeutet, dass die Spannung allein die Energbarriere für ihre Bewegung nicht überwinden kann. Diese scherunempfindlichen Schritte erfordern thermische Energie (Wärme) zur Aktivierung. Dies deutet darauf hin, dass bei niedrigen Temperaturen, wo thermische Energie knapp ist, diese Versetzungen stecken bleiben, was zu dem beobachteten spröden Verhalten von Laves-Phasen führt. Das Verständnis dieser thermischen Aktivierung ist entscheidend für die Entwicklung von Laves-Phasen-Legierungen mit verbesserter Duktilität und breiteren Anwendungsmöglichkeiten.