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Article Métallurgie n°4 : Les défauts structuraux

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Admin Hania



Les premiers articles étaient consacrés à la description de la structure parfaite établie par la théorie dans le but d’étudier l’empilement des atomes dans un métal ou un alliage métallique (échelle de l’angström). Dans la réalité, un cristal contient toujours des défauts, soit parce que la présence de tels défauts est imposée par les lois de l’équilibre thermodynamique (probabilité de saut par diffusion), soit parce que l’on a introduit ces défauts lors du processus d’élaboration par trempe, écrouissage, irradiation, ...
Ces défauts sont importants pour les métallurgistes car ils jouent un grand rôle en ce qui concerne la plupart des propriétés, notamment mécaniques, des métaux et alliages. On peut classer ces défauts en défauts ponctuels, linéaires, de surface, de volume. Nous allons examiner successivement ces divers types de défauts. Les défauts créés peuvent s’éliminer par migration thermiquement activée.

1 — Défauts ponctuels

On appelle défaut ponctuel toute perturbation d’un cristal que l’on peut localiser dans un volume de l’ordre du volume atomique. Il est ainsi facile d’imaginer les divers types de défauts ponctuels : impureté substitutionnelle ou interstitielle, lacune, autointerstitiel. La figure 1 représente les 4 types de défauts ponctuels.
On peut créer des défauts ponctuels à l’équilibre thermodynamique en chauffant le métal au voisinage de son point de fusion. Mais il existe aussi des techniques de création de défauts ponctuels hors d’équilibre : la trempe, les irradiations et l’écrouissage.

2 — Défauts linéaires

La description d’un défaut linéaire, appelé aussi dislocation peut être établie soit sous l’angle statique (géométrique et thermodynamique), soit en considérants les aspects cinétiques sont liés à la déformation plastique. La notion de dislocation a été introduite pour expliquer que la contrainte effectivement nécessaire à la déformation plastique d’un cristal est bien inférieure à celle calculée théoriquement pour un cristal parfait

D’une façon générale, une dislocation peut être définie dans un milieu continu : considérons le solide et une ligne L dans ce solide. Effectuons une coupure dans le solide le long d’une surface C s’appuyant sur L (voir la figure 2). Faisons une translation des deux lèvres de la coupure d’un vecteur b. Ce vecteur caractérise la dislocation et est appelé vecteur de Burgers. Ajoutons ou enlevons la matière nécessaire et recollons : la surface C n’est plus visible. L est alors la ligne de dislocation, entourée d’un champ de contraintes et de déformations (voir la figure 3).

D’après sa définition, une ligne de dislocation ne peut s’arrêter dans le solide : elle forme une boucle, ou débouche sur la surface, ou encore peut se diviser en plusieurs dislocations: le point de rencontre de trois dislocations ou plus est appelé nœud. L’arrangement de dislocations dans un cristal recuit construit un réseau (réseau de Frank). Si l’on considère trois dislocations de vecteurs de Burgers respectifs b1 , b2 , b3, il est facile de démontrer que b1 + b2 + b3 = 0 (somme vectorielle).

Quand les cristaux sont déformés, la densité de dislocations augmente rapidement et peut atteindre des valeurs de l’ordre de 10^10 à 10^11/cm².Il existe un certain nombre de méthodes d’observation des dislocations ; la plupart d’entre elles mettent en évidence le champ de déformation entourant la dislocation plutôt que la distribution atomique elle-même.





Figures : Les défauts de structure.

3 — Défauts de surface

* Fautes d’empilement : Nous avons vu que la structure cristalline des métaux purs pouvait être décrite en termes d’empilement de plans atomiques (figures 1 et 3). Une faute d’empilement est une irrégularité de la séquence d’empilement. Les fautes d’empilement sont rencontrées particulièrement dans les métaux cfc et hc (empilement de plans compacts ABCABC... et ABABAB... respectivement). Par exemple, dans un cristal cfc, deux types de fautes d’empilement sont

* Macles : Quand deux cristaux sont accolés de façon à ce que l’un soit le miroir de l’autre, l’ensemble est dit former une macle. Le plan miroir est appelé plan de macle. On voit que le maclage peut être obtenu par déformation de cisaillement de la partie supérieure du cristal, l’amplitude du cisaillement étant proportionnelle à la distance au plan de macle.

* Parois antiphases
Il s’agit de parois séparant différents domaines ordonnés dans les alliages intermétalliques : elles peuvent être décrites par cisaillement du cristal, d’un vecteur de Burgers joignant deux atomes de différente nature A et B. Comme ce n’est pas un vecteur du réseau cristallin, il ne s’agit donc pas d’une dislocation parfaite. Il est facile de comprendre l’origine de ces parois : l’apparition d’une phase ordonnée se fait en général par germination et croissance de germes au sein de la phase désordonnée ; les parois apparaissent lorsque les domaines issus des germes entrent en contact.

7 — Défauts de volume

On peut considérer que le remplacement d'une partie du cristal par un volume d'un composé différent est un défaut tridimensionnel. Ce composé "étranger" peut différer du cristal par sa nature chimique et/ou cristallographique et peut être soit un précipité soit une inclusion. Les précipités sont des particules de seconde phase qui sont formés par combinaison entre les atomes du métal et les atomes des éléments d'alliage.

* Joints de grains
Comme on l’a déjà vu (Article n°1), les échantillons métalliques usuels sont formés de nombreux cristaux ou Grains, orientés au hasard les uns par rapport aux autres. On appelle joints de grains les surfaces séparant ces cristaux.
Vue l’importance de cet élément microstructural dans l’étude des matériaux qui est le joint de grains, un article lui sera entièrement consacré pour comprendre son rôle crucial dans la microstructure.

* Précipités
On sait qu’il s’agit de petites particules de seconde phase apparaissant au sein d’un échantillon préalablement monophasé (matrice). Les mécanismes de précipitation et leur aspect thermodynamique son lié au matériau (composition chimique, état microstructural) et au condition extérieur que subit le matériau (l’état de contrainte). La taille et la distribution des précipités jouent un très grand rôle dans les propriétés mécaniques des matériaux.

* Pores, fissures, bulles,
Ces défauts apparaissent sous forme de cavités vides dans le matériau. La forme des pores (sphériques, aplatis,...) dépend souvent des conditions de traitement thermique, en particulier du milieu et de la pression gazeuse.


Mots clés : Défauts ponctuels, Saut atomique, Lacunes, Interstice, Dislocations, Déformation plastique, Empilement de plans, Macles, Joints de grains, Précipités.

youb-sab


Salam

Merci infiniment pour tout ce que vous apportez en termes de connaissances.

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