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Les Alliages Métalliques Amorphes
Le développement d’un nouveau matériau est une activité très importante dans la continuité et la progression de la science et de la technologie. Les alliages métalliques amorphes [1-3] sont l’une des catégories des matériaux qui attire l’attention des chercheurs au cours de ces derniers temps. Ces matériaux sont passés d’un intérêt de recherche de base à un statut de matériaux utilisés dans des diverses applications industrielles. Pour aborder la différence entre matériau amorphe et cristallin, il nous faut tout d’abord clarifier la notion d’ordre. L’ordre existe dans un assemblage d’atomes quand ils ne sont pas assemblés de manière totalement aléatoire, que ce soit par leur nature (ordre chimique) ou par leurs arrangements dans l’espace (ordre géométrique). En conséquence, parmi les trois étapes de la matière, l’état gazeux peut être considérer comme désordonné, l’état liquide présente un ordre à courte distance (amorphe) et l’état solide peut présenter un ordre à courte distance ou à longue distance (solide cristallin).
En générale les alliages métalliques présentent une structure cristalline c’est-à-dire les plus proches voisins d’un atome sont organisés suivant une maille qui est répétée à l’identique suivant un réseau régulier dans les trois directions de l’espace. Ainsi connaissant la position des atomes dans la maille et les vecteurs de translations, on connaît toutes les informations concernant la structure des matériaux, cela veut dire qu’on a un ordre à longue distance. A l’inverse du cristal, dans l’état amorphe les atomes ne présentent qu’un ordre à courte distance, on connaît la position du premier voisin avec une certaine incertitude .
Au cours de ces recherches relatives à l’effet de la vitesse de trempe sur les limites de solubilité des alliages binaires P. Duwez en 1960 [4] est considéré comme le premier qui a découvert les matériaux métalliques amorphes. La matière à l’état amorphe était déjà connue depuis longtemps car c’est l’état structural des verres usuels élaborés par refroidissement naturel de mélange d’oxydes fondus, mais c’était la première fois que l’état amorphe était obtenu par refroidissement de composés essentiellement métallique comme Au75Si25. Les propriétés de ces nouveaux matériaux ont été rapidement identifiées, leurs originalité a initiée un grand nombre de recherche fondamentales et appliquées. Les alliages métalliques amorphes contenant les métaux de transitions Fe, Co, Ni comme composant de base possède une dureté deux fois plus grande que celle des alliages cristallines et une haute résistance à la corrosion qui est liée à leur composition chimique. Leur utilisation se trouve en tant que matériaux de renfort dans des composites, pour le renforcement des liants hydraulique ciments et mortiers. Sur le plan magnétique ils présentent des propriétés exceptionnelles, leurs cycles d’hystérésis ayant des champs coercitifs très faibles et des perméabilités élevées. Ils ont aussi des applications dans la construction des transformateurs de puissance [5]. Cependant ces alliages ont l’inconvénient de devenir très fragiles relativement à basse température et vu la difficulté de les obtenir sous forme massique, ils sont souvent fabriqués sous forme de rubans, de fils ou de feuilles [6]. Pour la formation d’une phase amorphe par solidification rapide du liquide (trempe), il est essentielle de contrôler les facteurs favorisants la cristallisation afin d’éviter la nucléation et la croissance de la phase cristalline dans le régime liquide surfondu, entre le point de fusion Tf et la température de transition vitreuse Tg. La production de cette nouvelle classe d’alliage s’est principalement développée à partir des techniques de trempe rapide. Tel que les vitesses de refroidissements sont de l’ordre de 10⁴ -10⁵K/s. En générale, ces vitesses de refroidissements sont atteintes par la solidification rapide du liquide sur un support métallique froid qui limite la géométrie de l’échantillon à des rubans fins de l’ordre de 50 à 100μm d’épaisseur. Dans quelques systèmes d’alliages, on ne peut pas observer la transition vitreuse lorsque l’alliage amorphe se transforme en phase cristalline avant d’atteindre la température de transition vitreuse. Exceptionnellement l’alliage amorphe à base du Pt et Pd ont une vitesse de refroidissement de l’ordre de 10² –10³K /s et sont amorphes d’une épaisseur de l’ordre de 4mm. Malheureusement, le palladium est un composant très couteux.
La réalisation d’un alliage métallique amorphe avec de très petites vitesses de refroidissements a été le désire des scientifiques. Il a fallu attendre 15 ans pour que de nouvelles compositions ternaires abaissent la vitesse critique de refroidissement à des valeurs inferieurs à 10³ K /s permettant d’obtenir des diamètres critiques de 0.3 mm [7] puis 3mm [8]. Le véritable essor des verres métalliques n’a eu lieu qu’à partir de la fin des années 80 où de nombreux nouveaux systèmes amorphes ont été découverts tel que les alliages à base de Mg [9] puis Zr–Ti–Al [10], La–Ni–Al [11], Zr–Ni–Al–Cu [12], Zr–Ti–Cu–Ni– Be [13], etc… Dans ces systèmes les vitesses de trempe limite descendant jusqu’à 0.1 K/s permettent d’obtenir des échantillons amorphes d’une épaisseur vitrifiable allant jusqu’à 75mm dans le cas de l’alliage Pd40Cu30Ni10P20 [14]. Le Tableau (1.1) donne les valeurs critiques des vitesses de refroidissements et de dimensions pour différents verres métalliques massifs .
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1 Les alliages métalliques amorphes
1. 1 Introduction Générale
1. 2 Concept de base sur les verres et les verres métalliques
1. 2. 1 Les verres et les verres métalliques (définition)
1. 2. 2 Formabilité des verres métalliques
1. 2. 3 Critère de formabilité des verres
1. 2. 3. 1 La température de transition vitreuse réduite (Trg)
1. 2. 3. 2 Principe de confusion
1. 2. 3. 3 Critère de différence de taille atomique
1. 2. 3. 4 Critère de concentration
1. 2. 3. 5 Considération de base sur les diagrammes de phases
1. 3 Techniques expérimentales
1. 3. 1 Méthodes de préparation des matériaux métalliques Amorphes
1. 3. 2 Trempe rapide
1. 3. 2. 1 Aspect cinétique
1. 3. 2. 2 Conditions d’amorphisation
1. 3. 2. 3 Compositions amorphisables
1. 3. 3 Dispositif de trempe rapide
1. 3. 3. 1 Les appareils à piston (splat-cooling)
1. 3. 3. 2 Méthode des laminoirs
1. 3. 3. 3 Méthode à effet centrifuge
1. 3. 3. 4 Méthode du melt drag
1. 3. 3. 5 Méthode du melt extraction
Chapitre 2 Méthode de la dynamique moléculaire
2. 1 Introduction
2. 2 Principe de la dynamique moléculaire
2. 3 Equations du mouvement
2. 4 Algorithmes
2. 5 Le choix d’un algorithme d’intégration
2. 6 Conditions Périodiques
2.7 Méthodes d’optimisation
2. 7. 1 Rayon de coupure et Liste de Verlet
2. 7. 2 Méthodes des cellules
2. 8 Potentiel
2. 9 Ensembles statistiques
2. 9. 1 Algorithme d’Andersen
2. 9. 2 Algorithme de Nosé-Hoover
2. 10 Implémentation de la dynamique moléculaire
2. 11 Déroulement des simulations de la dynamique moléculaire
2. 12 Vérification du code
2. 12. 1 Conservation de l’énergie totale
Chapitre 3 Développement d’un Potentiel Interatomique
3. 1 Introduction
3. 2 Potentiels à deux corps
3. 3 Potentiels à trois corps
3. 4 Potentiel À N-corps
3. 4. 1 Potentiel de type Tersoff-Brenner
3. 4. 2 Méthode de l’atome »immergé » (EAM)
3. 5 Model utilisé dans ce travail de thèse
3. 5. 1 Approximation du second moment des liaisons fortes (TB- SMA)
3. 5. 2 Calcul des paramètres du potentiel
3. 5. 3 Equilibration du système cristallin
3. 5. 3. 1 Cas du Nickel pure (cfc)
3. 5. 3. 2 Cas du Zirconium pure (hcp)
3. 5. 3. 3 Cas d’un Alliage Binaire de différentes concentrations
Chapitre 4 Propriétés thermodynamiques
4. 1 Métal de transition pure
4. 1. 1 Cas du Nickel (Ni)
4. 1. 1. 1 Amorphisation et recristallisation du Ni pure
4. 1. 2 Cas du Zirconium (Zr)
4. 1. 2. 1 Amorphisation et recristallisation du Zr pure
4. 2 Alliages binaires de différentes concentrations
4. 2. Cas d’un l’alliage binaire NiZr2
4. 2. 2 Cas d’un l’alliage binaire Ni0.5Zr0.5
CONCLUSION
