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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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11. Glossaire
Dislocation extrinsèque ; extrinsic dislocation
Dislocation introduite dans un joint de grains par déformation ; ce défaut linéaire ne fait pas partie de la structure d’équilibre du joint de grains décrite en termes de dislocations intrinsèques.
Fluage ; creep
Déformation lente d’un matériau soumis à une contrainte constante.
Grain ; grain
Synonyme de cristal ; tout matériau cristallin est constitué par une agglomération de grains, ou cristaux élémentaires.
Indice de coïncidence ; coincidence index
Indice qui donne une indication sur l’ordre dans la région du joint de grains ; cet indice est d’autant plus faible que le joint est bien ordonné. Si aucune désorientation n’existe entre deux cristaux,
. Le joint de macle a pour indice
.
Joint de grains ; grain boundary
Interface qui sépare deux cristaux voisins de même nature, dite aussi interface homophase, dans un matériau cristallin.
Joint de grains de flexion ; tilt grain boundary
Joint de grains dont l’axe de rotation entre les cristaux voisins est situé dans le plan du joint.
Joint de grains de torsion ; twist grain boudary
Joint de grains dont l’axe de rotation entre les cristaux voisins est perpendiculaire au plan du joint.
Structure cristalline ; crystal structure
Arrangement des atomes dans un cristal, qui se répète périodiquement dans l’espace selon des opérations de symétrie. La plupart des matériaux ont une structure cubique ou hexagonale.
Superplasticité ; superplasticity
Propriété de déformation plastique à haute température d’un matériau polycristallin, qui se caractérise par des allongements à rupture nettement plus importants que ceux obtenus usuellement.
Unité structurale ; structural unit
Configuration élémentaire d’atomes, sous forme d’unité polyédrique, au cœur d’un...
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(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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