Chapitre 2. Imperfections du réseau cristallin PDF

**Chapitre 2. Imperfections du réseau cristallin** **Introduction** Les cristaux formés par la répétition périodique d'une maille élémentaire sont des cristaux idéaux. Les cristaux réels ont des structures qui diffèrent, au moins localement, de cet arrangement périodique car ils sont le siège de d...

**Chapitre 2. Imperfections du réseau cristallin** **Introduction** Les cristaux formés par la répétition périodique d'une maille élémentaire sont des cristaux idéaux. Les cristaux réels ont des structures qui diffèrent, au moins localement, de cet arrangement périodique car ils sont le siège de défauts de différentes natures. Ces défauts peuvent être sans dimension (défauts ponctuels), à une dimension (dislocations), à deux dimensions (joints de grains, défauts d\'empilements et mâcles) ou à trois dimensions (précipités, inclusions). 1. 1. **Défauts ponctuels** Ces sont des défauts sans dimension qui ont une taille de l'ordre de la distance interatomique. Il existe trois types de défauts ponctuels : les lacunes, les interstitiels et les atomes en substitution (Figure 1). La présence de défauts ponctuels entraîne une distorsion locale du réseau cristallin et engendre un champ de contrainte élastique dans un volume du cristal supérieur à celui du défaut lui-même. 1. Ce défaut correspond à un site atomique inoccupé dans la structure. Les lacunes jouent un rôle fondamental dans la diffusion à l'état solide qui résulte de déplacements d'atomes sur de longues distances. 2. **Interstitiels** Ce sont des atomes qui s'insèrent dans les espaces vides du réseau cristallin. Si l'atome en insertion est lui-même un atome du réseau cristallin, on parle d'auto-interstitiel. Les défauts interstitiels jouent un grand rôle dans la constitution des alliages. 3. **Atomes en substitution** C'est un atome étranger qui se place à un nœud du réseau cristallin. Ce type de défauts jouent également un rôle important dans la constitution des alliages. 2. **Défauts linéaires** Ces défauts sont les dislocations. Ce sont des défauts linéaires qui se déplacent le long des plans atomiques. Ces défauts permettent une déformation plus facile car la majeure partie du cristal demeure inaltérée. Il existe deux types de dislocations droites : les dislocations coin et les dislocations vis. 1. Une dislocation coin correspond à l'introduction d'un demi-plan atomique à l'intérieur d'un cristal parfait. L'emplacement de la dislocation est défini comme la limite de ce demi-plan supplémentaire dans le cristal par ailleurs parfait (Figure 2).  2. On peut se représenter une dislocation vis en imaginant que l'on fait une entaille dans le cristal et que l'on fait glisser l'un des bords de cette entaille par rapport à l'autre d'une distance interatomique. Une dislocation vis transforme les plans atomiques successifs en une surface hélicoïdale d'où son nom (Figure 3). 3. Une dislocation est entièrement définie par sa position dans le cristal et par un vecteur appelé vecteur de Burgers et noté b. Le vecteur de Burgers est défini comme le défaut de fermeture d'un circuit (circuit de Burgers) reliant les atomes voisins et encerclant la ligne de dislocation. Par convention, on choisit généralement comme sens de construction du circuit de Burgers le sens des aiguilles d'une montre. Dans le cas d'une dislocation coin, on constate, grâce à cette construction, que le vecteur de Burgers est perpendiculaire à la ligne de dislocation. Dans le cas d'une dislocation vis, ce vecteur est parallèle à la ligne de dislocation. Dans le cas le plus général d'une dislocation mixte, le vecteur de Burgers fait un angle quelconque avec la ligne de dislocation.  4. **Interaction des dislocations avec d\'autres défauts** Les dislocations dans les matériaux cristallins interagissent de manière complexe avec d\'autres types de défauts, tels que les défauts ponctuels (les lacunes) et d\'autres dislocations. Ces interactions influencent significativement les propriétés mécaniques et la diffusion dans les matériaux. **Interaction dislocation-lacune** Les dislocations attirent les lacunes afin de réduire les tensions internes. Une fois à proximité, elles peuvent absorber ces lacunes, modifiant ainsi localement la structure du réseau. Cette interaction perturbe le déplacement des dislocations et contribue à des mécanismes de durcissement, rendant plus difficile leur mouvement dans le matériau. **Interaction dislocation-dislocation** Les dislocations à l'intérieur d'une structure cristalline interagissent les unes avec les autres de diverses manières, notamment par l'attraction, la répulsion, l'annihilation et la formation de jonctions. Ces interactions ont un impact significatif sur le comportement mécanique d'un matériau et la déformation plastique qui en résulte. Une dislocation peut en attirer ou en repousser une autre en fonction de leurs types (coin, vis ou mixte) et des directions de leurs vecteurs Burgers. Lorsqu'une dislocation de vecteur de Burgers positif rencontre un autre vecteur de Burgers égal mais orienté négativement, l'annihilation peut avoir lieu. Ce processus entraîne l'annulation complète des deux dislocations, entraînant une diminution de la densité totale de dislocation et diminuant potentiellement la résistance globale du matériau. Lorsque les dislocations sont de même signe, elles se repoussent. Ce qui conduit à une accumulation de dislocations et augmente la résistance à la déformation du matériau (écrouissage). 3. **Défauts planaires** Les défauts planaires sont des défauts à deux dimensions. On distingue principalement les joints de grains, les défauts d\'empilement et les macles. 1. **. Joints de grains** Un cristal est généralement constitué par un assemblage de grains. Ces grains sont juxtaposés et les régions où les différents grains sont en contact sont appelées les joints de grains. Ces régions sont des zones de transition caractérisées par des structures plus ou moins perturbées qui permettent l'accommodation géométrique et cristallographique des grains constitutifs du polycristal. 2. **. Défauts d'empilement et les macles** L'édifice cristallin peut être considéré comme un empilement régulier de plans suivant un certain motif qui se répète indéfiniment : on peut caractériser cela par une séquence d'empilement. Par exemple dans la structure cubique à faces centrées, la séquence d'empilement de plans \[111\] est de type \[...ABCABCABC...\] On appelle défaut d'empilement une modification de la séquence d'empilement. Ces défauts peuvent être : - Intrinsèques : ceci correspond au retrait d'un plan et se traduit par une séquence d'empilement du type \[...ABCACABC...\]. - Extrinsèque : ceci correspond à l'ajout d'un plan et se traduit par une séquence d'empilement du type \[...ABCACBABC...\]. Il peut arriver également que la séquence \[....ABCABCABC.....\]se transforme localement en une structure symétrique \[...CBACBACBA...\] au cours de la solidification ou de la recristallisation par exemple. La séquence résultante est \[...ABCABCACBACBA...\]. Le défaut d'empilement occasionné par cette altération de la séquence est appelé macle et le plan A est un plan de maclage. 4. **Défauts tridimensionnels** 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. - Les inclusions correspondent à des impuretés qui proviennent généralement de son élaboration depuis l'état liquide. Ce sont souvent des sulfures, des oxydes ou des silicates. Excepté dans quelques cas particuliers, les métaux sont rarement utilisés industriellement à l'état pur. Généralement on utilise des alliages qui sont des mélanges de plusieurs métaux purs en proportions données. A l'état solide, on parle des solutions solides. 2. **Solutions solides** Les solutions solides sont des agrégats, chimiquement homogènes, résultant de l\'addition d\'un ou de plusieurs éléments étrangers B (éléments d\'alliage) dans un métal pur A. Deux types de solution solides peuvent être former : solution solide d\'insertion et solution solide de substitution. 1. **Solution solide d\'insertion** Si les atomes de l\'élément d\'alliage B ont un rayon atomique suffisamment faible, ils vont pouvoir s\'introduire dans les interstices de la structure de A, donnant ainsi naissance à une solution solide d\'insertion (ou solution solide interstitielle). Les atomes pouvant être placés en insertion sont : H, O, N, C, B.  Deux types de sites interstitiels sont possibles : les sites octaédriques et les sites tétraédriques. On appelle sites interstitiels, les espaces vides situés entre les atomes sphériques dans les réseaux cristallins. Ces sites servent de logements pour les atomes de petit diamètre. Les sites octaédriques sont formés par six sphères disposées suivant les sommets d'un octaèdre. Les sites tétraédriques sont formés par empilement compact de quatre sphères dont les centres constituent les sommets d'un tétraèdre.  **5.2. Solution solide de substitution** La plupart des solutions solides sont des solutions solides de substitution : les atomes étrangers occupent une fraction des sites réticulaires à la place des atomes de base. La structure cristalline est en général inchangée mais le paramètre de maille varie avec la concentration en atomes étrangers. Les atomes de base et de l\'élément d\'alliage peuvent être répartis complètement au hasard sur les divers sites du réseau et la solution est dite désordonnée. Il arrive qu'une solution solide de substitution se réalise d'une manière ordonnée : les atomes du soluté occupent des positions particulières dans le réseau du solvant. On obtient ainsi une solution solide ordonnée. La solubilité des atomes en substitution peut être plus ou moins prévue par des lois empiriques, connues sous le nom de règles de Hume-Rothery : - - - - **Effet de valence :** les éléments ayant des valences similaires tendent à former des solutions solides plus facilement. Lorsque tous ces critères sont respectés, on observe une intersolubilité complète, ce qui signifie que les deux éléments peuvent se mélanger en toute proportion pour former une solution solide homogène. C'est le cas de l'alliage or-cuivre (Au-Cu). En revanche, lorsque ces critères ne sont pas totalement remplis, la solubilité est limitée. Cela signifie qu'au-delà d'un certain pourcentage de soluté, la solution solide ne peut plus dissoudre d'autres atomes, et une deuxième phase ou un nouveau cristal apparaît. Ce phénomène est observé dans des systèmes tels que les alliages plomb-étain (Pb-Sn), où la concentration en soluté ne dépasse souvent pas 3 à 7 % avant qu'une nouvelle phase ne se forme.