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RÉSUMÉ
La diffusion intergranulaire (ou diffusion aux joints de grains) est un phénomène qui contrôle la plupart des propriétés des matériaux cristallins. L’objectif de cet article est de s’attacher au comportement individuel d’un joint de grains en relation avec sa structure fine, à l’échelle microscopique puis à l’échelle atomique. Des différences notoires de diffusivité apparaissent selon la géométrie et la chimie des joints. Celles-ci sont utilisées pour comprendre le comportement diffusionnel collectif d’un polycristal en utilisant deux approches : expérimentale et par la théorie de la percolation. Un exemple du rôle important de la diffusion est détaillé dans le cas du fluage superplastique de l’alumine.
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Louisette PRIESTER : Professeur émérite - Université Paris-Saclay, France
INTRODUCTION
Le présent article fait suite à ceux consacrés aux joints de grains [M 4 011], [M 4 012] et [M 4 013], auxquels le lecteur peut se référer pour comprendre certaines dénominations de ces défauts de la structure cristalline – ou interfaces homophases – et quelles sont leurs propriétés autres que la diffusion, mais souvent gouvernées par celle-ci.
Pour une approche des bases théoriques de la diffusion et, en particulier, de la diffusion aux joints de grains, l’auteure conseille de se reporter à [M 55], qui décrit de manière exhaustive ces phénomènes.
L’objectif ici n’est pas de reprendre en détail les modèles et les lois mathématiques de la diffusion intergranulaire, mais de s’attacher aux mécanismes élémentaires à l’échelle atomique, et à décrire la spécificité des chemins de diffusion selon la structure du joint de grains. Celle-ci est décrite : soit au niveau mécanique, en termes de dislocations intrinsèques ; soit à l’échelle atomique, en termes d’unités structurales. Le comportement diffusionnel d’un ensemble de joints de grains – cas pratique des polycristaux – est abordé, en particulier par la théorie de la percolation. Enfin, même si la diffusion contrôle la plupart des propriétés des matériaux (changement de phases, oxydation, corrosion), nous avons fait le choix ici de nous attacher particulièrement au rôle prépondérant de la diffusion aux joints de grains dans les mécanismes de fluage superplastique.
L’intérêt technique et fondamental des phénomènes diffusionnels aux joints de grains requiert aussi un développement de la recherche dans le domaine des oxydes et des semiconducteurs. Cette recherche reste orientée par l’approche relativement bien connue de la diffusion dans les métaux, qui lui sert toujours de paradigme.
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10. Conclusion
Après avoir rappelé quelques bases sur les mécanismes de la diffusion intergranulaire, cet article met l’accent sur la différence de comportement diffusionnel des joints de grains selon leurs structures. Tout d’abord, il présente les diverses réponses des joints à la diffusion, suivant leur description mécanique en termes de dislocations intergranulaires ; les interprétations intéressantes des résultats ne suffisent toutefois pas à rendre compte de nombreux comportements, car la diffusion est une propriété attachée au cœur du joint de grains.
C’est pourquoi, il est nécessaire de relier la diffusion à la configuration des atomes dans la région du joint, décrite en termes d’unité structurales. On peut distinguer les joints de grains à faible angle de désorientation, quelques rares joints singuliers, et les joints généraux. Ces derniers présentent des coefficients de diffusion plus élevés que les précédents, caractéristique qui peut être modifiée en présence d’éléments ségrégés au joint.
La diffusion a un effet important sur la mobilité des joints de grains, particulièrement sur les joints généraux, donnant lieu au phénomène connu sous le sigle de DIGM. Dans tous les cas, on peut s’attendre à une différence de comportement diffusionnel des polycristaux selon le pourcentage et la distribution respectifs de leurs joints « spéciaux » (le terme spécial est utilisé ici dans le sens où le joint est particulier du point de vue de sa diffusivité) et « généraux ».
Deux approches du comportement collectif d’un ensemble de joints de grains existent :
-
la recherche expérimentale des distributions des diffusions intergranulaires, via la distribution d’une propriété contrôlée par cette diffusion ;
-
l’approche par la théorie de la percolation.
Enfin, parmi les nombreuses propriétés contrôlées par la diffusion aux joints de grains, l’étude détaillée d’une céramique superplastique montre l’importance de cette diffusion dans le cas du fluage. L’existence de différences de comportement diffusionnel des joints de grains et l’exploitation de ces différences pour une approche collective de la diffusion laissent prévoir une maîtrise des propriétés des matériaux connue sous le nom d’ingénierie des...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PHILIBERT (J.) - Diffusion et Transport de Matière dans les Solides. - Les Éditions de Physique, 472 p. (1985).
-
(2) - BALLUFFI (R.W.) - Grain boundary diffusion mechanisms in metals. - Metallurgical Transactions, 13A, p. 2069-2095 (1982).
-
(3) - BALLUFFI (R.W.) - Diffusion in Crystalline Solids. - Eds G.E. Murch and A.S. Nowick, Academic Press, New York, 482 p. (1984).
-
(4) - PETERSON (N.L.) - Grain Boundary Structure and Kinetics. - ASM, Metals Park, Ohio (1980).
-
(5) - KAUR (I.), MISHIN (Y.), GUST (W.) - Fundamentals of Grain and Interphase Boundary Diffusion. - Wiley, Chinchester (1995).
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(6) - SUTTON (A.P.), BALLUFFI (R.W.) - Interfaces in Crystalline Materials. - Oxford Science Publications (1995).
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