Diffusion, ségrégation et transformations de phase à l'état solide

Philippe Thomas, Didier Blavette

Description

Cet ouvrage rassemble un ensemble de problèmes résolus portant sur la thermodynamique des transformations de phases, la diffusion et les cinétiques dans les alliages. Ces problèmes, précédés d’un rappel de cours, sont suivis de corrigés détaillant chaque étape des calculs. Les sujets traités (précipitation, mise en ordre, ségrégation sur les défauts cristallins, croissance d’un film mince, oxydation, fluage, dopage des semiconducteurs…) sont essentiels pour la conception des matériaux et l’optimisation des traitements thermiques et propriétés qu’il s’agisse de matériaux de structure (aciers, alliages à base Ni, Al, Cu, Ti…) ou fonctionnels (semiconducteurs, alliages et multicouches magnétiques…). Ils débouchent souvent sur une problématique industrielle (aéronautique, centrales nucléaires, microélectronique…).

Ce livre s’adresse aux enseignants et aux étudiants de licence et master mais également aux élèves ingénieurs et doctorants.

Sujets

• Sciences expérimentales
• Physique
• Physical attractiveness
• Science
• Physics
• Sciences et techniques

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 01 avril 2021
• Nombre de lectures: 1
• EAN13: 9782759825530
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

QuinteSciences

Diffusion, ségrégation et transformations de phase à l’état solide

Rappels de cours et problèmes résolus

Didier Blavette et Thomas Philippe

Préface de Yves Bréchet

QuinteSciences

Diffusion, ségrégation et transformations de phase à l’état solide

Rappels de cours et problèmes résolus

Didier Blavette et Thomas Philippe

C et ouvrage rassemble un ensemble de problèmes résolus portant sur la thermodynamîque des transformatîons de phases, la dîffusîon et les cînétîques dans les allîages. Ces problèmes, précédés d’un rappel de cours, sont suîvîs de corrîgés détaîllant chaque étape des calculs. Les sujets traîtés (précîpîtatîon, mîse en ordre, ségrégatîon sur les défauts crîstallîns, croîssance d’un fîlm mînce, oxydatîon, fluage, dopage des semîconducteurs…) sont essentîels pour la conceptîon des matérîaux et l’optîmîsatîon des traîtements thermîques et proprîétés qu’îl s’agîsse de matérîaux de structure (acîers, allîages à base Nî, Al, Cu, Tî…) ou fonctîonnels (semîconducteurs, allîages et multîcouches magnétîques…). Ils débouchent souvent sur une problématîque îndustrîelle (aéronautîque, centrales nucléaîres, mîcroélectronîque…). Ce lîvre s’adresse aux enseîgnants et aux étudîants de lîcence et master maîs également aux élèves îngénîeurs et doctorants.

Didier Blavetteest Professeur de physique à l’Université de Rouen-Normandie. Il a enseigné pendant 30 ans la physique générale, la physique du solide, l’électronique et les sciences des matériaux, notamment la diffusion et les transformations de phase en master.

Thomas Philippeest chargé de recherche CNRS au Laboratoire de physique de la matière condensée de l’École polytechnique à Palaiseau.

978-2-7598-2421-2

9 782759 824212

www.edpsciences.org

La collectîon QuînteScîences s’adresse à un publîc spécîalîsé. Elle propose des ouvrages de référence, écrîts par des experts reconnus dans leur domaîne et aborde, de manîère approfondîe, un sujet scîentîique. QuînteScîences contrîbue aînsî à la dîffusîon des savoîrs fondamentaux.

Diffusion, ségrégation et transformations de phase à l’état solide

Rappels de cours et problèmes résolus

Didier Blavette et Thomas Philippe

Didier Blavette est Professeur de physique à l’Université de Rouen-Normandie. Il mène ses recherches dans le Groupe de physique des matériaux (UMR CNRS 6634) dont il fut le directeur de 2003 à 2012. Il a enseigné pendant 30 ans la physique générale, la physique du solide, l’électronique et les sciences des matériaux, notam- ment la diffusion et les transformations de phase en master. Il fut le directeur du Groupement de recherches CNRS « transdiff » sur les transformations de phases diffusives (2004–2008) et de l’école CNRS sur ce sujet.

Thomas Philippe est chargé de recherche CNRS au Laboratoire de physique de la matière condensée de l’École polytechnique à Palaiseau. Ancien élève de D. Blavette, il est un spécialiste de la germination, de la croissance et de la coalescence dans les systèmes multicomposants.

Illustration de couvertureReconstruction 3D du volume analysé d’un alliage : AlMgZn par sonde atomique tomographique. Chaque point élémentaire est un atome d’aluminium, de zinc ou de magnésium. L’image met en évidence la présence d’un nano-précipité enrichi en Zn et Mg. Celui-ci apparait sous la forme d’une plaquette parallèle aux plans (111) de la phase mère d’aluminium dont l’épaisseur est proche de 1 nm (W. Lefebvre, GPM).

Imprimé en France

ISBN (papier) : 978-2-7598-2421-2 – ISBN (ebook) : 978-2-7598-2553-0

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage prive du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consente- er ment de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1 de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.

© EDP Sciences, 2021

Table des matières

Préface

Préface de Yves Bréchet

Chapitre 1  •Thermodynamique des équilibres et diagrammes de phase 1.1 Rappels de cours 1.1.1 Précipitation et mise ordre 1.1.2 Fonctions et potentiels thermodynamiques 1.1.3 Équilibres binaires : solutions solides idéales et régulières 1.1.4 Théorie des transitions critiques et théorie de Landau 1.2 Problèmes 1.2.1 Concentration de lacunes à l’équilibre 1.2.2 La ségrégation intergranulaire 1.2.3 Diagrammes de phase et solution régulière 1.2.4 Transformations ordre-désordre CC-B2 dans CuPd 1.2.5 Mise en ordre dans les CFC et théorie de Landau 1.2.6 Mise en ordre dans les CC et théorie de Landau Références

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Chapitre 2  •Diffusion et transport dans les solides 2.1 Rappels de cours 2.1.1 La diffusion à l’échelle atomique 2.1.2 Les deux lois de Fick 2.1.3 Hétérodiffusion, effet Kirkendall 2.1.4 Les courts-circuits de diffusion : influence des défauts 2.1.5 Diffusion dans un champ de force 2.2 Problèmes 2.2.1 Mécanismes fondamentaux de diffusion – Équation d’Einstein 2.2.2 Mécanismes élémentaires et autodiffusion 2.2.3 Diffusion dans les alliages CuAl 2.2.4 Le durcissement d’une surface par cémentation 2.2.5 Diffusion d’une couche mince en sandwich 2.2.6 Effet Kirkendall et diffusion dans CuZn 2.2.7 Les courts-circuits de diffusion : joints de grains et dislocations 2.2.8 Diffusion dans un champ de force et décomposition spinodale 2.2.9 Une nouvelle loi de Fick selon Howe 2.2.10 Diffusion dans un champ de forces : application au fluage de Nabarro-Herring 2.2.11 Diffusion d’impuretés dans un champ de force, la formation des « atmosphères de Cottrell » 2.2.12 Diffusion dans les semi-conducteurs : naissance d’un champ de Nernst interne 2.2.13 Diffusion dans un champ de force : l’oxydation du nickel Références

Chapitre 3  •Cinétique de formation d’une nouvelle phase 3.1 Rappel de cours 3.1.1 Précipitation continue et discontinue 3.1.2 Instabilité et métastabilité 3.1.3 Germination homogène 3.1.4 Germination hétérogène 3.1.5 Germination de phases métastables 3.1.6 Croissance 3.1.7 La décomposition spinodale 3.1.8 Coalescence 3.1.9 Cinétique globale

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Table des matières

3.2 Problèmes 3.2.1 Les transformations eutectoïdes 3.2.2 Germination de précipités dans les alliages Ni-Al 3.2.3 Germination-croissance de précipités dans des alliages CuCo dilués 3.2.4 Germination hétérogène de précipités dans AlCu 3.2.5 Loi de croissance de Deal et Grove pour un précipité sphérique 3.2.6 Croissance d’un film d’oxyde en surface, loi de Deal et Grove 3.2.7 Croissance et coalescence de précipités sphériques 3.2.8 Coalescence dans les superalliages NiAl 3.2.9 Modèle de Zener pour la croissance d’un précipité avec interface plane incohérente 3.2.10 La décomposition spinodale 3.2.11 Théorie cinétique de la germination de Zeldovich et temps d’incubation 3.2.12 Coefficient de capture, flux de germination et temps d’incubation Références

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Préface

Ce livre s’adresse aux enseignants et aux étudiants en fin de licence ou en master. Il pourra également être très utile aux ingénieurs et doctorants préparant une thèse en sciences des matériaux. La diffusion et les transformations de phase à l’état solide (précipitation d’une nouvelle phase, mise en ordre, croissance d’un film mince en surface d’un alliage, oxydation) constituent un socle fondamental en sciences des matériaux. Ce corpus de connaissances est absolument nécessaire pour la concep- tion et l’optimisation des matériaux et des traitements thermiques aboutissant aux propriétés recherchées qu’il s’agisse de matériaux de structure (aciers, alliages à base Ni, Al, Cu, Ti…) ou fonctionnels (semi-conducteurs, puits quantiques pour l’optronique, multicouches magnétiques). Les transformations de phase diffusives sont incontournables en métallurgie physique. Il s’agit des fondements enseignés, notamment dans tous les cursus de formation en sciences des matériaux dans les écoles d’ingénieurs et universités [1,2].

C’est à l’issue de près de 30 ans d’enseignement en physique des matériaux et de conception d’exercices de travaux dirigés et de problèmes d’examens que l’idée m’est venue de rassembler ces sujets d’examens avec les corrigés détaillés. Les problèmes proposés sont souvent issus de problématiques de recherche avec des illustrations issues d’observations en microscopie électronique ou par sonde atomique tomo- graphique, instrument phare conçu au Groupe de physique des matériaux dans les années 1990. Des liens sont fréquemment faits avec les « matériaux du quotidien ».

Ce livre rassemble ainsi un ensemble de problèmes résolus portant sur la thermody- namique des transformations de phases, la diffusion et les phénomènes de diffusion et de transport à l’état solide dans les alliages et les cinétiques de transformation de phase. L’ouvrage est organisé en trois grands chapitres. Chacun commence par un rappel de cours qui donne de manière concise les éléments théoriques nécessaires à la

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résolution des problèmes. Il y a bien sûr de nombreuses simplifications et omissions que le lecteur voudra bien nous pardonner. Il ne s’agit nullement d’un cours exhaus- tif. Nous nous sommes de plus limités aux alliages binaires. Enseigner c’est choisir et donc exclure. Ne sont introduites que les notions nécessaires pour résoudre les problèmes du livre. Les démonstrations de ces rappels de cours ne sont parfois pas détaillées. En revanche, les étapes de calculs sont le plus souvent données, ce qui permet au lecteur de redémontrer assez facilement les expressions finales données. La démonstration de certaines équations est de plus reprise dans les problèmes. Le livre contient quelques références bibliographiques de livres ou d’articles apportant un éclairage complémentaire.

Le livre rassemble une trentaine de problèmes. Ceux-ci sont souvent précédés d’un préambule précisant le contexte en introduisant les nouveaux concepts utilisés. Les problèmes sont conçus de sorte à guider pas à pas le lecteur. Ils débouchent le plus souvent sur l’étude d’une problématique industrielle réelle (aéronautique, centrales nucléaires, microélectronique…). La solution détaillée est donnée à l’issue de chaque problème.

Les problèmes de ce livre se sont inspirés de certains ouvrages, notamment ceux de Jean Philibert sur la diffusion, Yves Quéré sur la physique des matériaux, Porter et Easteling sur les transformations de phases que je souhaite remercier. Ce livre s’est également nourri d’échanges avec de nombreux collègues, notamment Georges Martin, Alphonse Finel, Yann Lebouar, Annick Loiseau, Michel Guttmann, et bien d’autres qui me pardonneront de ne pouvoir tous les citer. Mes remerciements vont aussi à mes anciens élèves et doctorants qui ont contribué de manière directe ou indirecte à ce livre. Merci à Manon Bonvalet, Emmanuel Cadel, Fréderic Danoix, Bernard Deconihout, Fréderic De Geuser, Williams Lefebvre, Cristelle Pareige, Philippe Pareige, Thomas Philippe, Bertrand Radiguet, Xavier Sauvage, François Vurpillot pour les discussions enrichissantes que nous avons pu avoir et les belles illustrations issues de la recherche figurant dans cet ouvrage. Un grand merci à Maryline, pour la relecture attentive des épreuves, travail ardu s’il en est. Ce livre doit beaucoup à Thomas Philippe, co-auteur de cet ouvrage, qui a accepté de se lancer dans l’aventure de ce livre en revisitant et enrichissant les problèmes et en en concevant de nouveaux.

Didier Blavette