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Description et étude des joints de grains
Les interfaces présentes dans un matériau sont le siège de nombreux phénomènes physiques et chimiques : corrosion, fissuration et ségrégation par exemple. Il en existe de différents types, les interfaces métal-oxyde, les joints de phases, les joints de grains… Dans cette première partie, les différents types de joints de grains sont décrits ainsi que certaines de leurs propriétés. Pouvant être considérés comme des défauts planaires, les joints de grains sont des frontières où deux grains se lient par accommodation des réseaux cristallins.
Description des cinq degrés de liberté du joint de grains
Un joint de grains est décrit par 5 degrés de liberté macroscopiques :
– un axe о [h,k,l] commun aux deux grains (2 degrés : un vecteur unitaire) ;
– un angle de rotation θ autour de l’axe commun qui permet de superposer les deux grains ;
– la normale au plan du joint de grains pouvant être définie dans le référentiel de chacun des grains n1 (hn1,kn1,ln1) ou n2 (hn2,kn2,ln2).
La notation θ°[h,k,l], (hn1,kn1,ln1) permet de caractériser un joint de grains dans les trois dimensions de l’espace . Il n’est pas nécessaire de préciser systématiquement la seconde normale au plan car il est possible de la retrouver par le calcul.
En comparant les indices de Miller des normales aux plans n1 et n2 , il est possible de déterminer le caractère miroir du joint de grains [3]. Si les deux normales au plan sont égales n1 = n2, le joint de grains est symétrique et la notation peut être simplifiée avec des accolades θ°[h,k,l], {hn,kn,ln}. Dans le cas contraire, on parle de joint de grains asymétrique.
Expérimentalement, dans les polycristaux, les joints de grains sont très majoritairement mixtes et asymétriques. Quelques exceptions existent comme le joint de macle. Les macles sont des joints de grains de flexion symétriques qui se forment par rotation d’une partie d’un cristal afin d’accommoder une contrainte mécanique. Dans le réseau cubique à faces centrées (cfc), les macles sont définies comme 60°<111>{111} (souvent notée Σ3twin). Ces descriptions ne permettent pas de classifier la majorité des joints de grains dans le cadre d’étude d’alliages conventionnels. Le dernier moyen de classer les joints de grains et le plus employé dans la littérature est d’utiliser l’angle de désorientation. Les joints de grains de faible désorientation puis ceux de forte désorientation seront donc évoqués dans les deux prochains paragraphes.
Joints de grains faiblement désorientés
Les joints de grains ayant un angle de désorientation θ inférieur à 15° environ [1,4] sont appelés joints de grains de « faible désorientation ». L’appellation « sous joint» est réservée aux joints de grains de faible désorientation formés par accommodation de dislocations suite à un écrouissage. Les joints de faible désorientation sont, eux, issus de la fabrication-solidification du matériau.
Joints de grains fortement désorientés
Comme dit précédemment, le modèle du mur de dislocations se limite aux faibles angles de désorientation. Pour décrire un joint de grains fortement désorienté le modèle des unités structurales est employé. Ce modèle, présenté pour la première fois par Bishop & Chalmers (1968) [8] en deux dimensions, décrit l’arrangement atomique des joints de grains par une succession de motifs bien définis.
Ce modèle est actuellement toujours employé [9]. Il a depuis évolué en généralisant ce modèle à tous les joints de grains symétriques et asymétriques [10–12]. Des unités structurales en trois dimensions sont maintenant proposées [13]. Ainsi, chaque joint de grains peut être représenté par une succession périodique d’unités structurales . L’unité structurale définit un motif périodique tout au long du joint de grains contenant un nombre d’atomes fini. Le plus petit motif pouvant décrire le joint de grains est appelé la période, noté entre deux barres verticales, par exemple │A│. Si la période est divisée en deux sous-périodes identiques ou non translatée dans le plan, la notation implique de les indiquer toutes deux séparées par un point, │A.A│. Ce modèle a pu être validé par des observations expérimentales au microscope électronique en transmission par de l’imagerie haute résolution (METHR) permettant d’observer les colonnes atomiques. l’organisation des colonnes atomiques observées expérimentalement forme des motifs qui coïncident avec ceux obtenus en simulation par dynamique moléculaire .
Une approche couramment utilisée dans l’étude des joints de grains de forte désorientation est celle du réseau de sites de coïncidence (CSL pour Coincidence Site Lattice). Ce réseau permet de visualiser les nœuds communs aux réseaux des deux grains. Les joints de grains ainsi formés sont dits spéciaux, nous y retrouvons par exemple la macle Σ3twin du réseau CFC.
Réseau et joint de grains de coïncidence (CSL)
A partir de la superposition du réseau cristallin de chacun des grains, désorientés l’un par rapport à l’autre, une représentation du complexe bicolore (en considérant que chaque grain possède une couleur) est obtenue. le complexe bicolore obtenu dans le cas de deux réseaux désorientés de 37° autour de l’axe [100]. Ce complexe ainsi créé permet de visualiser les symétries entre les nœuds du réseau cristallin de chaque grain (ronds bleus et jaunes). Le réseau CSL [15] est un cas particulier du réseau bicolore où sont présents des sites de coïncidence entre les deux réseaux (ronds verts).
Ségrégation d’équilibre
Le joint de grains est un défaut cristallin planaire avec lequel différentes espèces chimiques interagissent afin de réduire leurs coûts énergétiques. Ce phénomène induit alors de la ségrégation ou de la précipitation hétérogène. Il existe une ségrégation d’équilibre, dite « naturelle », qui se produit dans tous les matériaux métalliques. Elle est principalement visible au niveau des joints de grains et a pour but de diminuer l’énergie du système. Cette ségrégation peut se produire afin de diminuer le nombre de défauts ponctuels, pour accommoder une différence de propriétés magnétiques ou afin de limiter un excès de soluté dans la matrice. Cette fluctuation de composition chimique se produit à courte portée, sur une à deux distances interatomiques de chaque côté du joint de grains d’après la théorie [4]. Des modèles ont été développés afin d’expliquer la ségrégation d’équilibre [4]. Les deux principaux modèles thermodynamiques sont : l’isotherme d’adsorption de Gibbs et l’isotherme de ségrégation de Langmuir-McLean.
Principe et effets de l’irradiation
L’irradiation résulte de l’interaction entre des particules accélérées (neutrons, ions, électrons) et un matériau. Cette interaction va générer des modifications microstructurales dans le matériau qui auront des effets sur les propriétés à la fois microscopiques et macroscopiques. Gonflement, fragilisation, durcissement, corrosion sont des effets pouvant être provoqués ou accélérés par l’irradiation.
Création des défauts induits par l’irradiation
A l’échelle atomique, l’interaction se traduit par un choc entre une particule et un atome du réseau cristallin du matériau. L’atome impacté est alors appelé PKA (Primary Knock-on Atom). Ce choc est accompagné d’un transfert d’énergie de la particule incidente au PKA. Pour savoir si l’énergie transmise (ET) est suffisante pour déplacer un atome de son site cristallin, il est nécessaire de la comparer à l’énergie de seuil de déplacement notée « Ed ». Trois cas sont alors possibles :
– ET < Ed , l’énergie de la particule incidente n’est pas suffisante pour faire sortir l’atome de son site cristallin. L’énergie transmise à l’atome va le faire osciller autour de sa position initiale, dissipant l’énergie par agitation thermique.
– Ed < ET < 2.Ed , l’énergie transmise par la particule est suffisante pour sortir l’atome de son site, il y a création d’une paire de Frenkel : une lacune et un interstitiel.
– ET > 2.Ed , il y a création d’une cascade de défauts. Après avoir été percuté, le PKA va à son tour impacter plusieurs atomes et ainsi engendrer plusieurs paires de défauts. Lors du processus de cascade, un grand nombre de défauts vont s’annihiler entre eux après un court instant, de l’ordre de 20 picosecondes [33].
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Table des matières
Introduction
Références bibliographiques
Chapitre 1 : Etat de l’art
I. Description et étude des joints de grains
1. Description des cinq degrés de liberté du joint de grains
2. Joints de grains faiblement désorientés
3. Joints de grains fortement désorientés
4. Réseau et joint de grains de coïncidence (CSL)
5. Structure et énergie des joints de grains
6. Ségrégation d’équilibre
II. Principe et effets de l’irradiation
1. Création des défauts induits par l’irradiation
2. Propriétés des défauts
a. Les lacunes
b. Les interstitiels et les dumbbells
3. Ségrégation induite par irradiation
a. Les mécanismes participant à la SII
b. Les facteurs influençant la SII
c. Effet de la SII sur les propriétés des matériaux
III. Les alliages Fer – Chrome
1. Diagramme de phase Fe-Cr
2. Impact des propriétés magnétiques sur la limite de solubilité α/α’
3. Ségrégation du chrome aux joints de grains sous irradiation
a. Ségrégation avant irradiation
b. Ségrégation induite par irradiation
Références bibliographiques
Chapitre 2 : Matériau et techniques expérimentales
I. Alliage Fe-Cr
II. Plateforme d’irradiation aux ions – JANNuS Saclay
1. Présentation de la plate-forme JANNuS Saclay
2. Choix des conditions d’irradiations
III. Préparation d’échantillon par polissage ionique
1. Principe
2. Préparation de pointes pour la sonde atomique tomographique
IV. Diffraction aux électrons
1. Interaction électron matière
2. Rétrodiffusion des électrons incidents
3. Diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD)
4. Diffraction des électrons rétrodiffusés transmis (TKD)
V. Sonde atomique tomographique
1. Evaporation par effet de champ
2. Evaporation contrôlée par impulsion
3. Spectromètre de masse à temps de vol
a. Principe
b. Recouvrement isotopique
c. Résolution en masse
4. Détecteur d’ions
a. Principe
b. Résolution spatiale
c. Rendement de détection
5. Reconstruction
a. Principe de reconstruction
d. Artefacts
6. Quantification de la ségrégation au joint de grains
VI. Le microscope électronique en transmission
1. Principe
2. Caractérisations réalisées au MET
a. Identification des dislocations
b. Mesure d’épaisseur
c. Quantification chimique par émission de rayonnement X
Références bibliographiques
Chapitre 3 : Démarche de préparation d’échantillon et d’analyse de joints de grains d’un alliage Fe-13%Cr à la sonde atomique tomographique
I. Choix du joint de grains
1. Choix du critère d’identification des joints de grains à partir des données EBSD
2. Sélection d’un joint de grains sur critère géométrique
3. Sélection des joints de grains et stockage des prélèvements
II. Mise en place du TKD
1. Choix du support échantillon
2. Incertitude de mesure
3. Répétabilité de la structure des joints de grains
III. Analyses de joint de grains à la SAT
1. Changement de mode de sollicitation en SAT
2. Choix de la puissance laser à appliquer au Fe-13%Cr
3. Visualisation du passage du joint de grains lors d’analyse SAT
Références bibliographiques
Chapitre 4 : Caractérisation de la ségrégation induite par irradiation
I. Joints de grains faiblement et fortement désorientés
1. Joint de grains faiblement désorienté
a. Ségrégation avant irradiation
b. Ségrégation après irradiation
2. Joint de grains fortement désorienté
a. Ségrégation avant irradiation d’un échantillon traité thermiquement 8h à 450 °C
b. Ségrégation après irradiation
II. Joint de grains de coïncidence Σ3
1. Premier joint de grains Σ3
a. Joint de grains Σ3-1 avant irradiation
b. Joint de grains Σ3-1 après irradiation
2. Second joint de grains Σ3
a. Joint de grains Σ3-2 avant irradiation
b. Joint de grains Σ3-2 après irradiation
III. Défauts d’irradiation
IV. Synthèse
Références bibliographiques
Chapitre 5 : Simulations de ségrégation et de précipitation induite par l’irradiation dans un alliage Fe-Cr
I. Le couplage de flux
1. Présentation du modèle
2. Modification du modèle
II. Les résultats de simulation
1. Effet de température et de la dose
2. Effet de longueur de boîte
3. Effet de structure du puits
4. Effet de mélange balistique
III. Conclusion
Références bibliographiques
Conclusion
