Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Cet article traite du joint de grains parfait, celui dont la structure est décrite grâce aux simulations et aux observations sur bicristaux en microscopie électronique en transmission à haute résolution. En réalité, cette structure parfaite subit des transformations sous l'effet de la température et des variations de composition chimique liées aux échanges avec les cristaux voisins. Ces modifications peuvent masquer les différences structurales des joints de grains et influer fortement sur les propriétés des polycristaux.
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The article deals with the perfect grain boundary, the structure of which is described through simulations and observations of bicrystals by high resolution transmission electron microscopy. In reality, the perfect structure undergoes transformations under the effect of temperature and variations of chemical composition linked to its exchanges with the adjacent crystals. These modifications may hinder the grain boundary structural differences and strongly influence the polycrystal properties.
Auteur(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 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.
Dans un premier temps, le joint est soumis à des effets de température qui peuvent changer sa structure d’équilibre, voire provoquer une fusion du joint à une température inférieure à la température normale de fusion du matériau.
Puis, sont abordés les processus de transport vers le joint de grains des défauts ponctuels, lacunes et atomes en insertion ou en substitution, éléments d’alliages ou impuretés, leur densité étant généralement plus grande aux joints de grains qu’en matrice. C’est le phénomène de ségrégation intergranulaire qui affecte non seulement la structure et l’énergie d’un joint de grains, mais aussi ses défauts et leurs comportements. Les différences de chimie entre joints peuvent gommer totalement leurs différences géométriques.
Enfin, étroitement dépendante de la ségrégation, et difficile à différencier de celle-ci à ses tout débuts, la précipitation préférentielle d’une seconde phase aux joints de grains d’une phase initiale (ou phase-mère) joue également un rôle important sur les propriétés d’emploi des matériaux.
Considérer les effets de la température et de la chimie sur les structures des joints de grains nous rapproche du matériau réel. Cette démarche doit être complétée par des considérations mécaniques [M 4 013] afin de comprendre, voire de contrôler, le rôle des joints de grains dans les comportements de l’ensemble polycristallin.
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KEYWORDS
grain boundary | intergranular segregation and precipitation | phase transformations
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Conclusion3. De la ségrégation à la précipitation intergranulaire
Une forte ségrégation intergranulaire entraîne une saturation du joint en atomes de solutés et conduit souvent à la formation de précipités. Deux autres raisons favorisent l’apparition puis le développement d’une seconde phase aux joints de grains :
(i) la variation d’enthalpie libre ΔG, qui accompagne l’apparition d’un germe de seconde phase à un joint de grains, est bien inférieure à celle requise pour un germe en matrice,
(ii) le coefficient de diffusion intergranulaire, bien plus élevé que le coefficient de diffusion en volume, permet une croissance rapide de ce germe.
Le fait que la précipitation intergranulaire d’un composé de l’élément S dépend étroitement du niveau de ségrégation de cet élément aux joints de grains est bien révélé dans un polycristal d’alumine dopée à l'yttrium. Une croissance des grains – donc une diminution du volume occupé par les régions intergranulaires – entraîne une redistribution de l'yttrium ségrégé aux joints de grains. La teneur moyenne en yttrium augmente jusqu'à saturation, des particules de grenat (YAG) apparaissent alors aux joints de grains. La taille critique des grains pour laquelle cette transition se produit diminue avec la teneur globale en yttrium dans l'alumine (figure 19) .
La condition d’équilibre à la jonction entre le germe et son support (le plan du joint) (figure 20) est donnée par la relation (7) qui implique les énergies du joint de grains et des interfaces germe / matrice.
L’équilibre au point triple A des énergies (équivalentes aux tensions interfaciales représentées par des vecteurs sur la figure 20) est donnée par le relation :
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De la ségrégation à la précipitation intergranulaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CAHN (J.W.) - Transitions and phase equilibria among grain boundary structures - Journal de Physique, C6-43, p. 199-213 (1982).
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(2) - HSIEH (T.E.), BALLUFFI (R.W.) - Experimental study of grain boundary melting in aluminium - Acta Metallurgica, 37, p. 1637-1644 (1989).
-
(3) - THIBAULT (J.), PUTAUX (J.L.), JACQUES (A.), GEORGE (A.), MICHAUD (H.M.), BAILLIN (X.) - Structure of the dislocation in tilt grain boundary between Σ = 1 and Σ = 3 : a HRTEM study - Materials Science and Engineering, 164, p. 93-100 (1993).
-
(4) - ELKALBAJI (M.), THIBAULT (J.), KIRCHNER (H.O.K.) - Structural transformation of the {233} [011] Σ = 11 tilt grain boundary in germanium and silicon - Philosophical Magazine Letters, 73 (1), p. 5-10 (1996).
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(5) - KIKUCHI (R.), CAHN (J.W.) - Grain boundary melting transition in a two-dimensional lattice-gas model - Physical Review, B21, p. 1893-1897 (1980).
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