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RÉSUMÉ
Contrairement aux joints de grains parfaits, les joints de grains réels contiennent généralement des imperfections. En dehors des défauts chimiques, ils présentent des défauts linéaires, résultant d'interactions avec les dislocations des cristaux avoisinants, ou directement de sollicitations mécaniques. Par ailleurs, dans les polycristaux, les joints sont organisés en réseau qui constitue un élément important de la microstructure du matériau. Dans la pratique, ce sont ces joints réels qui influent sur toutes les propriétés du matériau, ils méritent donc notre intérêt et font l'objet de cet article.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jean-Philippe COUZINIÉ : Docteur en Métallurgie et Matériaux – Maître de Conférences - Université Paris – Est Créteil (UPEC) - ICMPE / MCMC / CNRS, 94320 Thiais
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Brigitte DÉCAMPS : Docteur en sciences physiques – Directeur de Recherche - CNRS CSNSM/IN2P3 - Université Paris-Sud XI, 91405 Orsay
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Louisette PRIESTER : Docteur en sciences physiques – Professeur émérite - Université Paris-Sud XI, 91405 Orsay - ICMPE / MCMC / CNRS, 94320 Thiais
INTRODUCTION
Le présent article est le deuxième consacré au joint de grains réel : il fait suite à l’article [M 4 011] auquel le lecteur doit nécessairement se référer pour bien comprendre les dénominations appliquées aux joints de grains ainsi que les questions développées dans le présent contexte. Il complète une première approche des défauts chimiques, ponctuels et volumiques [M 4 012], pour se consacrer aux défauts linéaires résultant des transferts de contraintes mécaniques entre joints de grains et cristaux, ou directement de l’effet de contraintes extérieures.
Les interactions des dislocations de matrice avec un joint de grains portent le joint dans un état hors équilibre. Ces interactions sont étudiées principalement par microscopie électronique en transmission et par simulation ; les méthodes spécifiques à l’étude des joints sont explicitées avec, à chaque fois, un exemple d’application à un cas particulier d’interaction. Le retour d’un joint vers l’état équilibré se fait via des processus de relaxation des contraintes intergranulaires, étudiés par microscopie électronique in situ et comparés aux processus prédits par différents modèles.
Défauts ponctuels et défauts linéaires interagissent dans les joints comme c’est le cas en matrice : les effets réciproques des interactions entre dislocations extrinsèques et ségrégation sont abordés avec leurs conséquences sur le comportement du joint de grains.
Enfin, le but final en science des matériaux est de comprendre les répercussions de ces phénomènes structuraux sur les propriétés des joints de grains et de là les propriétés de l’ensemble du matériau. Cet aspect ne peut être présenté avec toute sa complexité dans le cadre de cet article, seuls quelques repères sont donnés ouvrant la voie à toute une série d’études qui restent à entreprendre. La compréhension des liens entre mécanismes à l’échelle élémentaire et comportement macroscopique du matériau en est toujours à ses balbutiements.
Notons enfin que ces approches concernant le joint de grains ou interface homophase peuvent être aisément étendues aux interfaces hétérophases (entre deux phases ou deux matériaux différents).
Ces considérations des réactions des joints de grains à une sollicitation mécanique et des ensembles qu’ils forment dans les polycristaux peuvent ouvrir la voie à une “ingénierie des joints de grains”.
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Joints de grains et propriétés mécaniques des matériaux
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3. Dislocations extrinsèques et ségrégation
Les dislocations extrinsèques possèdent des champs élastiques de déformation à grande distance et constituent donc dans le joint des sites préférentiels d’attraction des atomes de soluté. Ceux-ci forment, comme en matrice, des “nuages de Cottrell” ou “atmosphères de Cottrell”. Lorsque la teneur locale en éléments ségrégés atteint sa valeur maximale, il y a stabilisation de la dislocation ; la dislocation est dite piégée par l’atmosphère de Cottrell.
La figure 23 montre un exemple de la surconcentration en yttrium au voisinage immédiat de deux dislocations extrinsèques stabilisées dans un joint de grains général d’alumine .
L’enrichissement en soluté d’une dislocation extrinsèque a deux origines et deux cinétiques : en provenance de la matrice, par un mécanisme de diffusion en volume relativement lent, et en provenance du joint de grains, par un mécanisme de diffusion intergranulaire, donc en général plus rapide. La surconcentration locale en soluté sur certains sites du joint a des conséquences importantes sur deux phénomènes :
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la précipitation intergranulaire sur les dislocations extrinsèques ;
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les processus d’accommodation des contraintes liées aux dislocations extrinsèques dans lesquels les phénomènes de “ségrégation/précipitation” et de “stabilisation/déstabilisation” des dislocations jouent un rôle primordial.
Cette ségrégation ne touche pas seulement les dislocations isolées, mais se produit également sur des dislocations situées dans un réseau non strictement périodique et donc dans un joint non totalement à l’équilibre ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PRIESTER (L.) - Les joints de grains : de la théorie à l’ingénierie - EDP Sciences Ed., Les Ulis, 484 p. (2006).
-
(2) - FRANK (F.C.) - Symposium on the plastic deformation of crystalline solids - Office of Naval Research, Pittsburgh, Pennsylvanie, États Unis, p. 150-154 (1950).
-
(3) - BILBY (B.A.) - Report on the Conference on defects in crystalline solids - The Physical Society, Londres, p. 123-133 (1955).
-
(4) - ISHIDA (Y.), MORI (M.) - Theoretical studies of segregated internal interfaces - Journal de physique, C-4, 46, p. 465-474 (1985)
-
(5) - ELKALBAJI (M.), THIBAULT (J.) - Interactions of deformation – induced dislocations with Σ = 9 (122) grain boundaries in Si studied by HREM - Philosophical Magazine, A58, p. 325-345 (1988).
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(6) - POND (R.C.), SMITH (D.A.) - On...
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