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RÉSUMÉ
Cet article décrit les phénomènes physiques contrôlant la cinétique de précipitation dans les alliages métalliques, qui détermine une part importante de leurs propriétés, notamment mécaniques. Il comporte d’abord une brève description des techniques expérimentales et de modélisation adaptées à l’étude des cinétiques de précipitation. Ensuite la description des cinétiques est abordée, en commençant par les situations les plus simples et en introduisant progressivement des niveaux de complexité croissants.
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Alexis DESCHAMPS : Professeur - Laboratoire SIMAP, Grenoble INP UGA – Phelma, Saint-Martin d’Hères, France
INTRODUCTION
Pour les applications structurales requérant à la fois tenue mécanique et capacité de déformation plastique, ou de résistance à la rupture, les alliages métalliques se révèlent incontournables. La nature de leurs liaisons favorise leur déformation plastique, et donc leur ductilité, leur résistance à la rupture fragile, leur capacité d’absorption d’énergie, leur ténacité, etc. Cependant, conserver ces propriétés tout en assurant une haute limite d’élasticité requiert de « parsemer » la structure cristallographique simple des métaux purs par des défauts. Ceux-ci peuvent être simplement cristallographiques, comme des dislocations, mais il est très efficace de disperser à une échelle très fine (de l’ordre de grandeur du nanomètre) une ou plusieurs phases cristallographiques, que l’on nomme précipités, formées à partir des éléments d’alliage au cours de traitements thermiques. Ces phases forment des obstacles au mouvement des dislocations, et permettent de contrôler la limite d’élasticité de l’alliage. Leur présence affecte aussi toutes les autres propriétés de ce dernier : déformation plastique bien entendu (écrouissage, ductilité, ténacité, tenue en fatigue, capacité à la mise en forme), ainsi que tenue à la corrosion, conductivité, comportement sous irradiation, etc.
De nombreux points sont à considérer pour obtenir la formation de ces phases sous la forme désirée. À l’échelle nanométrique, la formation d’une phase au sein d’une autre nécessite la création d’une grande quantité d’énergie de surface, ce qui rend sa germination souvent très difficile. La matière trouve des chemins hors équilibre pour abaisser la barrière de germination, aboutissant à de nombreux états dits métastables. Précipiter une phase secondaire nécessite la plupart du temps la diffusion des éléments d’addition, ce qui en contrôle la cinétique. Dans des alliages comportant plusieurs éléments d’addition, ceux-ci peuvent diffuser à des vitesses très différentes, et les chemins de précipitation peuvent passer par des états transitoires. Lorsque des défauts structuraux, tels que des joints de grains ou des dislocations, sont présents, ceux-ci modifient fortement les caractéristiques des précipités formés.
Cet article décrit les différentes étapes contrôlant la cinétique de précipitation des phases secondaires dans les métaux. Après une brève description des techniques de caractérisation et de modélisation permettant de caractériser ce phénomène, il liste les différents types de cinétique de précipitation, en commençant par les plus simples, et en introduisant progressivement des niveaux de complexité croissants pour expliciter les effets évoqués au paragraphe précédent.
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Précipitation de phases multiples et trajectoires de métastabilité
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8. Cinétique de précipitation pour des précipités non sphériques
Lorsque des précipités se forment dans une matrice cristalline, il est rare qu’ils soient sphériques. On comprend bien que, lorsque deux formes cristallines sont en contact via une interface, l’anisotropie de chacune des deux structures cristallines peut générer une anisotropie de forme des précipités. Celle-ci peut résulter de la combinaison d’au moins trois facteurs :
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l’anisotropie d’énergie d’interface, qui favorise certaines interfaces au détriment d’autres, plus coûteuses ;
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l’anisotropie de vitesse de croissance, qui favorise la croissance des précipités dans certaines directions, en raison, par exemple, de différences de mobilité d’interface ;
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l’anisotropie de l’énergie élastique, lorsque les interfaces sont cohérentes.
En combinant les calculs d’énergie d’interface et d’élasticité, on peut prédire la forme d’équilibre de précipités anisotropes. La technique de simulation privilégiée pour conduire ces calculs est la modélisation par champ de phase, qui peut être couplée à des calculs de diffusion, et ainsi aboutir à la prévision de l’évolution de la forme des précipités au cours du temps. Cependant, la réalité est souvent plus complexe, du fait, par exemple, de l’anisotropie des mécanismes de croissance aux différentes interfaces, et on est souvent amené à faire des hypothèses sur l’évolution de la forme, fondées sur les observations expérimentales.
La description de la cinétique de précipitation non sphérique doit prendre en compte l’effet de la géométrie et de son évolution dans le temps, en particulier sur la forme des champs de diffusion des solutés. On peut s’intéresser tout d’abord au cas où l’anisotropie de forme des précipités est modérée, c’est-à-dire lorsque la distance entre précipités est grande devant leur plus grande dimension. Dans ce cas, on peut considérer que le champ de concentration autour du précipité a une forme approximativement sphérique à une certaine distance du précipité, et que l’on peut donc appliquer les équations pour des précipités sphériques, en convertissant la taille du précipité en une taille de sphère équivalente (en général, une sphère...
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Cinétique de précipitation pour des précipités non sphériques
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - DE GEUSER (F.), DESCHAMPS (A.) - Precipitate characterisation in metallic systems by small-angle X-ray or neutron scattering. - In Comptes Rendus Physique, vol. 13, p. 246‑256 (2012) – 10.1016/j.crhy.2011.12.008
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(3) - MARLAUD (T.), DESCHAMPS (A.), BLEY (F.), LEFEBVRE (W.), BAROUX (B.) - Influence of alloy composition and heat treatment on precipitate composition in Al-Zn-Mg-Cu alloys. - In Acta Materialia, vol. 58, p. 248‑260 (2010).
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(4) - PEREZ (M.), DUMONT (M.), ACEVEDO-REYES (D.) - Implementation of classical nucleation anf growth theories for precipitation. - In Acta Materialia, vol. 56, p. 2119‑2132 (2008).
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(5) - DESCHAMPS (A.), BRECHET (Y.) - Influence of predeformation and ageing of an Al-Zn-Mg alloy – II. Modeling of precipitation kinetics and yield stress. - In...
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