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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 intergranulaire et structure atomique d’un joint de grains
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3. Diffusion en relation avec la géométrie et les dislocations intrinsèques des joints de grains
Jusqu’à présent, nous avons évoqué la diffusivité « moyenne » des joints de grains dans un polycristal aléatoire ou, ce qui est équivalent, celle d’un joint de grains « au hasard ». On sait toutefois que les comportements varient d’un joint à l’autre.
Nous nous attachons maintenant à décrire la diffusion dans un joint particulier, caractérisé par ses paramètres géométriques (désorientation et plan), qui imposent la structure du joint en termes de dislocations intrinsèques. Cette approche permet de comprendre assez bien la diffusion dans les joints à faible angle de désorientation (
environ), mais elle est insuffisante pour rendre compte du phénomène dans les joints à grand angle. La diffusion étant une propriété associée au cœur du joint, seules les différences de structures atomiques peuvent permettre de comprendre des différences de diffusivité entre joints de grains. Cet aspect est traité au § 4.
3.1 Diffusivité en fonction de l’angle de désorientation entre cristaux
L’analyse de la diffusion dans un joint de flexion à faible angle de désorientation repose sur un modèle de pipe diffusion proposé par Turnbull et Hoffman ...
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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).
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(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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