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Les joints de grains , livre ebook

EDP Sciences - Louisette Priester

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Extrait

Description

Les joints de grains sont des éléments majeurs constitutifs des matériaux cristallins. Ils jouent un rôle important dans les propriétés de ces matériaux d'autant plus que la taille des grains diminue et/ou que des procédés d'élaboration et de transformation se développent permettant de jouer sur la diversité de ces éléments dans un polycristal. Cet ouvrage présente les connaissances de base sur les joints de grains et ouvre la voie à des orientations de recherche diversifiées dans ce domaine. Le recours à des approches mathématiques est volontairement limité. Les exemples sont privilégiés, les questions qu'ils soulèvent sont discutées par référence aux théories.

La démarche générale est sous-tendue par deux objectifs étroitement associés : - conduire le lecteur du joint « idéal » au joint « réel » dans les matériaux d'emploi ; - partir des connaissances établies pour aborder les perspectives qui se dessinent dans la voie d'une « Ingénierie des joints de grains ». Par ce concept, on vise la maîtrise des textures morphologiques et cristallographiques qui conditionnent les propriétés des matériaux. Ces idées expliquent la division de l'ouvrage en trois grandes parties : 1/ De l'ordre au désordre intergranulaire ; 2/ Du joint de grains idéal au joint de grains réel ; et 3/ Du joint de grains libre au joint de grains contraint.

Ce livre s'adresse aux étudiants en thèse, aux ingénieurs et aux chercheurs en Science des matériaux ; il vise également une communauté scientifique désireuse de parfaire ses connaissances sur les solides cristallins et d'appréhender l'enjeu d'une Ingénierie des joints de grains pour l'amélioration des performances des matériaux.

Sujets

Techniques

Automatisation et Contrôle

Contrôle des processus

Automatisation

Automate

Matériau

Engineering

Technology

Sciences et techniques

Materials Science

Matériaux

Ingénierie

Sciences appliquées

Ingénierie

Sciences appliquées

Informations

Publié par	EDP Sciences
Date de parution	01 avril 2006
Nombre de lectures	1
EAN13	9782759802418
Langue	Français
Poids de l'ouvrage	5 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,6700€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Extrait

LES JOINTS DE GRAINS DE LA THÉORIE À L'INGÉNIERIE

Louisette Priester

métallurgieIm a té ria u x

LES JOINTS DE GRAINS

DE LA THÉORIE À L’INGÉNIERIE

Louisette Priester

17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France

ISBN : 2-86883-872-3

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause er est illicite » (alinéa 1 de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.

Sciences 2006c EDP

Avant-propos

La plupart des ouvrages actuels ont tendance à présenter les connaissances sur les interfaces dans les matériaux cristallins en considérant simultanément les in-terfaces homophases ou joints de grains et les interfaces hétérophases situées soit entre deux cristaux d’un même matériau mais de structures différentes, soit entre deux matériaux différents (métal A/métal B, métal/oxyde, métal/semi-conduc-teur...). Nous avons volontairement fait le choix de nous limiter aux joints de grains. Bien que situées entre deux cristaux de même structure et de même com-position, ces interfaces ne sont pas pour autant simples. De nombreuses questions concernant leurs structures, leurs défauts, leurs organisations dans le matériau res-tent en suspens. Nous nous efforçons, dans chaque partie, de mettre en exergue ce questionnement après une présentation « sélective » des connaissances bien éta-blies. Sont en particulier soulignées les difﬁcultés pour aller du joint de grains idéal (analogue au cristal parfait) au joint de grains réel (analogue au cristal avec défauts) puis du joint de grains isolé dans un bicristal à celui inclus dans le ré-seau d’interfaces existant dans un polycristal (joint contraint aux jonctions avec d’autres). Deux idées majeures ont prévalu dans la conception de cet ouvrage. La première idée est implicitement contenue dans le titre puisqu’il s’agit de connaître pour contrôler, voire améliorer. Dans cette optique, nous nous intéressons non seulement au présent des joints de grains, mais amorçons leur devenir. La question toujours sous jacente est la contribution des joints de grains aux proprié-tés des polycristaux dont l’amélioration est la ﬁnalité en Sciences des Matériaux. L’ingénierie des joints de grains, rêve des années 1980, semble se proﬁler à l’horizon e duXXIsiècle. En effet, avec l’apparition de nouvelles techniques expérimentales et de simulation, de réels progrès sont apparus qui permettent de remplir le fossé entre les échelles, d’effectuer des va-et-vient du monde de l’atome à celui de l’ob-jet. C’est pourquoi, nous ne nous limitons pas ici à l’exposé des connaissances, mais tentons aussi d’entrer à petits pas dans la voie de l’ingénierie en considé-rant tout d’abord les échanges du joint avec d’autres défauts cristallins et, surtout, en plongeant le joint dans son environnement « pratique » c’est-à-dire greffé à d’autres pour former un réseau de joints de grains.

AVANT-P RO P O S

La seconde idée, étroitement associée à la précédente dans le contexte du livre, recouvre un effort constant à dépasser la dichotomie entre leToutet laPartieet, à ce titre, a sa propre raison de vivre commune à tous les domaines de la Science. Elle peut se traduire parDe l’individuel au collectifou encoreDe l’élément à l’ensemble et ne débouche pas nécessairement sur un aspect ingénierie. Concernant les ma-tériaux, les deux idées se rejoignent car l’objectif à long terme est une meilleure conception et une meilleure réalisation d’un objet utile. Pour avancer dans la voie de l’Ingénierie, il reste évidemment à connaître non seulement les réponses individuelles des joints à diverses sollicitations, mais aussi les propriétés collectives des réseaux de joints de grains. Cependant, la considé-ration des propriétés est volontairement exclue de ce livre pour plusieurs raisons énoncées ci-après. Les mécanismes élémentaires aux joints sont souvent identiques à ceux intervenant dans les cristaux pour des propriétés comme la diffusion, la dé-formation plastique. . . Le lecteur en trouvera une présentation dans des ouvrages spéciﬁques dédiés à ces propriétés dont nous donnons les références en ﬁn d’ou-vrage. Bien que les comportements desjoints isolésaient été et sont toujours large-ment étudiés, il n’existe pas de consensus sur les processus élémentaires dans le cas de la migration, de la corrosion, du mouillage. . ., et l’on sait peu de choses sur les propriétés électriques et magnétiques des joints. Les joints ont des propriétés qui varient avec leur géométrie, mais là encore des controverses demeurent sur la spé-ciﬁcité de certains comportements, hormis ceux de la macle cohérente. La chimie du joint gomme le plus souvent les particularités liées à la géométrie. La difﬁculté, dans de nombreuses expériences, d’atteindre la composition chimique dans la ré-gion intergranulaire entraîne des résultats contradictoires pour une même sollici-tation, un même matériau et,a priori, un même type de joint de grains. Si certains effets sont communs à tous les joints, on arrive vite au « cas par cas ». Une des rai-sons majeures, non pas pour abandonner, mais pour remettre à plus tard et dans un ouvrage exclusif la considération des propriétés des joints est l’absence, jusqu’à ces dernières années, de données sur les propriétés des ensembles de joints. Or, depuis peu, la situation change progressivement grâce aux approches des réseaux de joints par la théorie de la percolation ou par la simulation des textures locales. Finalement, bien qu’aucun chapitre de ce livre ne soit explicitement consacré aux propriétés, celles-ci ne sont pas totalement absentes. En effet, toutes les bases pour aborder le comportement mécanique des joints sont données lorsque nous par-lons des échanges entre dislocations et joints de grains ainsi que de l’évolution des contraintes intergranulaires avec le temps et avec la température. Certaines approches de propriétés associées aux réseaux de joints de grains font également l’objet d’une présentation succincte. Les exemples donnés dans cet ouvrage touchent différents matériaux cristal-lins : métaux et alliages, céramiques, roches, semi-conducteurs, supraconducteurs. Si les études des joints de grains se sont surtout développées, dans un premier temps, dans le domaine de la Métallurgie, des avancées conceptuelles ont été obte-nues grâce aux observations en Microscopie électronique en transmission à haute résolution de bicristaux de semi-conducteurs. Seuls les résultats des expériences ou des simulations sont donnés ici. Pour la compréhension des images électroniques

AVANT-P RO P O S

ainsi que des structures calculées des joints de grains, le lecteur devra se reporter aux références générales citées en ﬁn d’ouvrage. Cette documentation scientiﬁque générale concerne non seulement les méthodes, mais inclut des livres dédiés évi-demment aux joints de grains puis à certaines propriétés auxquelles il est fait ré-férence de manière répétée dans cet ouvrage. Quant aux références ponctuelles, elles sont données à l’issue de chaque partie et peuvent donc être reprises d’une partie à l’autre. Pour allerDe la Théorie à l’Ingénierie, il faut franchir trois grandes étapes qui constituent les trois parties de ce livre. La première étape passe par la conception dujoint de grains parfait, c’est-à-dire à l’équilibre, en posant la question fondamentale du maintien de sa cristallinité. Les notions d’ordre et de désordre ont toujours soulevé de nombreuses interrogations, y compris d’ordre philosophique. À l’ordre est traditionnellement lié leBeau. Les scientiﬁques n’échappent pas à cette connotation éthique. Il est noble de travailler sur un bel objet. Dans le domaine des joints de grains et pendant de nombreuses années, les études s’intéressent aux joints possédant symétrie et pureté. Elles uti-lisent des outils nobles dont la microscopie électronique en transmission à haute résolution et les simulations atomiques. Elles visent à apporter une petite touche dans la structure de l’édiﬁce « joint de grains » qui peut le rendre plus noble, c’est-à-dire plus ordonné. Loin derrière dans cette hiérarchie du « Beau », se situent des joints « laids » et « impurs », ce sont les joints réels qui, souvent majoritaires dans les polycristaux, contribuent certainement le plus aux propriétés globales du matériau. Dans cette première partie sont nécessairement présentés les notions de « bicristallographie » et les modèles de structure en termes de dislocations et d’uni-tés d’atomes. . . Mais un accent est mis sur les limites des descriptions et un débat est amorcé sur les raisons pour lesquelles un joint adopte une structure d’équilibre donnée, sachant qu’ordre et énergie ne sont pas associés. La seconde étape nous entraîne dans lejoint de grains fauté. Elle tente de déga-ger l’inﬂuence de la structure du joint de grains sur ses défauts, leur formation, leur relaxation. Deux types de défauts, ponctuels et linéaires, sont principalement considérés. Les atomes interstitiels et substitutionnels, en surplus ou en manque dans un joint via le phénomène deségrégation, modiﬁent considérablement son comportement, qu’ils induisent ou non un changement de sa structure. La pré-sence de ces éléments peut masquer les différences entre joints liées à leurs para-mètres cristallographiques. Elle est à l’origine de la formation préférentielle d’une seconde phase aux joints de grains qui joue notoirement sur leurs réponses à des propriétés comme la corrosion, la migration, la déformation. . . Le phénomène de précipitationaux joints mérite donc le détour que nous effectuons dans ce chapitre vers les défauts 3D. Finalement, l’interaction d’un joint de grains avec les défauts linéaires, les dislocations des cristaux, entraîne de fortes perturbations de sa struc-ture. Les mécanismes élémentaires d’entrée des dislocations de matrice dans un joint et ceux de relaxation des contraintes à grandes distances associées sont spé-cialement détaillés dans cet ouvrage. Ils constituent les piliers pour développer une compréhension des propriétés mécaniques des joints de grains isolés, puis inclus dans un ensemble.

AVANT-P RO P O S

La dernière partie du livre s’intéresse justement à desensembles de joints de grains, depuis la conﬁguration élémentaire que constitue lajonction triplejusqu’aux ré-seaux réels dans les polycristaux. À notre connaissance, aucun ouvrage n’a jusqu’ici tenté de faire le point sur les approches qui se développent, depuis quelques di-zaines d’années, dans la direction de l’ingénierie. En dépit de nos insatisfactions, nous avons pris le risque de sélectionner des études menées, aux échelles méso-scopiques et macroscopiques, sur les joints de grains en considérant qu’elles font progresser notre vue des joints dans le matériau d’emploi. C’est parce qu’un rap-prochement entre les connaissances de la « partie » et du « tout » semble main-tenant concevable que nous avons décidé de cette incursion, sachant que le but visé demande encore beaucoup d’efforts. Il reste en particulier à s’attacher aux joints vraiment généraux et à ceux des matériaux nanocristallins auxquels le conﬁ-nement spatial semble conférer des organisations atomiques et des propriétés spé-ciﬁques. Ces joints semblent échapper à l’ordre, mais avec le développement de la science du chaos, une sensibilité nouvelle émerge et ces objets auparavant in-dignes commencent à susciter de l’intérêt. Un objet désordonné peut-il faire l’ob-jet d’une science ? Auquel cas, est-il vraiment désordonné ? Peut-on l’apprivoiser ? Dans le domaine des joints de grains, l’attitude des chercheurs reste généralement « classique » : c’est la recherche de l’ordre caché derrière le désordre apparent. Les approches développées dans ce domaine ne sont pas du ressort du désordre déterministe.

Ce livre s’adresse aux étudiants en thèse, aux ingénieurs et aux jeunes cher-cheurs en Science des matériaux en tentant de leur donner les connaissances de bases sur les joints de grains et en leur ouvrant la voie à de nombreuses orientations de recherche dans ce domaine. Il vise également à intéresser toute la communauté scientiﬁque à un élément constitutif des matériaux dont la primauté s’accroît avec la diminution de la taille des cristaux et le développement incontrôlable, et sou-vent incontrôlé, des nanomatériaux. Que les connaissances présentées et/ou les idées développées dans cet ouvrage puissent servir de bases aux recherches futures sur les interfaces : c’est notre objectif.

Remerciements

Ce livre n’aurait pu exister sans le soutien indéfectible et les encouragements du compagnon de ma vie depuis le début de mon engagement scientiﬁque : À Pierre vont mes tout premiers remerciements.

Cet ouvrage est non seulement le fruit d’une réﬂexion personnelle, mais aussi le résultat des travaux menés avec des étudiants dans le cadre de leurs thèses et/ou en collaboration avec plusieurs collègues. À tous, je suis redevable de m’avoir ac-compagnée dans mon itinéraire « joints de grains », soit un bout de chemin soit jusqu’à la ﬁn de ma route. Sans être exhaustive, je citerai certains d’entre eux et, en premier lieu, Danièle Bouchet, non pas pour respecter un ordre chronologique, mais parce que ses travaux ont été indirectement à l’origine de mon orientation vers les joints de grains. En effet, la découverte que le comportement électrochimique des alliages fer-chrome est étroitement fonction de la microstructure liée à la chimie des « ré-gions » intergranulaires m’a incitée à pénétrer plus avant dans ces régions pour comprendre leur géographie, leur histoire, leur devenir. Mon voyage ne m’a pas déçue. C’est le professeur R.W. Ballufﬁ, alors à Cornell University, qui m’a ouvert la frontière de cette contrée. Je le remercie vivement pour son accueil dans son laboratoire et sa disponibilité pour m’aider dans mon initiation. À mon retour à l’Université d’Orsay, j’ai eu la joie de travailler avec deux thésards qui ont fortement contribué au lancement de la thématique « Joints de grains » : Sylvie Lartigue Korinek et Omar Khalfallah. Les nombreuses questions qu’ils ont soulevées et leur enthousiasme à en débattre ont affermi ma volonté d’établir un petit groupe de recherche sur ce sujet. Au ﬁl des temps, nous avons toujours gardé une forte collaboration avec le développement de thèmes origi-naux : calculs élastiques de force image sur une dislocation au voisinage des joints avec Omar, structure et comportement des joints de grains dans l’alumine rhombo-édrique avec Sylvie. À partir de leurs travaux, se forgeait la préoccupation majeure de toute mon activité scientiﬁque : l’interaction des dislocations avec les joints de grains. Mon incursion dans le monde de la céramique fut limitée, Sylvie en devint

viii

RE M E RC I E M E N TS

la spécialiste. Cette chercheuse intransigeante est restée ma plus ﬁdèle collabora-trice, nous n’avons pas cessé d’échanger nos expériences et nos idées et de cela je la remercie très vivement. J’ai retrouvé ensuite les métaux avec une approche multi-échelle, mettant en œuvre simultanément plusieurs techniques de microscopie électronique en trans-mission. Dans cette démarche, j’ai été accompagnée par Brigitte Décamps à la-quelle je suis particulièrement reconnaissante. Ensemble, nous avons encadré deux étudiants en thèse que je ne veux pas oublier dans mes remerciements, Sophie Poulat et Jean Philippe Couzinié, car leurs résultats ont permis, entre autres, une avancée très prometteuse vers les joints généraux. C’est par la connaissance de ces joints qu’on peut espérer aller vers une ingénierie des joints de grains. Enﬁn, j’ai fortement apprécié la collaboration de deux collègues français, Jany Thibault et Olivier Hardouin-Duparc, avec qui j’ai toujours eu des échanges fruc-tueux, en particulier au cours de la rédaction de ce livre. Qu’ils soient remerciés pour les réponses rapides et documentées qu’ils ont toujours données à mes ques-tions. J’ajoute une reconnaissance spéciﬁque pour leurs contributions à nos tra-vaux récents sur le nickel et le cuivre. Les résultats, obtenus conjointement, sur les structures atomiques des joints de grains, par microscopie électronique en trans-mission à haute résolution et par simulation, illustrent largement les deux pre-mières parties de ce livre. D’autres collègues, français et étrangers, ont également croisé mon parcours en lui apportant leurs contributions qui ont certainement enrichi le contenu de cet ouvrage et pour lesquelles je les remercie collectivement.