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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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Diffusion et comportement collectif des joints de grains
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7. Diffusion dans des joints mobiles – Migration des joints de grains induite par diffusion
Dans les conditions d’emploi, les joints de grains dans lesquels se produit la diffusion sont mobiles (recristallisation, croissance des grains, fluage, etc.). De plus la diffusion elle-même est susceptible de provoquer un mouvement des joints. Le phénomène est connu sous son sigle anglais DIGM (Diffusion Induced Grain Boundary Migration). Il a dû affecter de nombreuses expériences de diffusion. Les deux phénomènes, diffusion dans des joints en mouvement, et migration des joints induite par diffusion (DIGM), sont différents, et on n’a pas atteint le même niveau de compréhension pour les deux. Nous les présentons succinctement, particulièrement pour le premier, en faisant références aux ouvrages où le lecteur peut trouver de plus amples informations.
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La diffusion dans les joints mobiles, bien que complexe, peut être abordée sur les bases des équations de diffusion :
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on ajoute un terme
au second terme de l’équation (1), avec
, vitesse de déplacement du joint dans une direction qui lui est perpendiculaire, vitesse considérée comme constante ;
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on modifie le terme qui prend en compte le transport de matière du joint vers les cristaux adjacents dans l’équation (2), qui, pour rendre compte de l’asymétrie du transport, devient :
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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).
-
(6) - SUTTON (A.P.), BALLUFFI (R.W.) - Interfaces in Crystalline Materials. - Oxford Science Publications (1995).
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