Classification des défauts cristallographiques – Types – Définition

La classification des défauts cristallographiques (défauts microscopiques) est fréquemment faite en fonction de la géométrie ou de la dimensionnalité du défaut. D’autres défauts macroscopiques existent dans tous les matériaux solides qui sont beaucoup plus grands que microscopiques, notamment les pores, les fissures, les inclusions étrangères et d’autres phases.

• Défauts microscopiques
  • Défauts ponctuels. Les défauts ponctuels ont des dimensions atomiques.
  • Défauts de ligne. Les défauts linéaires ou les dislocations sont généralement longs de plusieurs atomes.
  • Défauts planaires. Les défauts plans sont plus grands que les défauts linéaires et se produisent sur une zone bidimensionnelle.
• Défauts macroscopiques
  • Défauts en vrac. Défauts tridimensionnels macroscopiques ou massifs, tels que pores, fissures ou inclusions.
  • Vides. Petites régions, où il n’y a pas d’atomes, et qui peuvent être considérées comme des amas de lacunes.
  • Impuretés, qui peuvent se regrouper pour former de petites régions d’une phase différente. Ceux-ci sont souvent appelés précipités.

Défauts ponctuels

Les défauts ponctuels ont des dimensions atomiques, de sorte qu’ils ne se produisent qu’au niveau ou autour d’un seul point du réseau. Ils ne sont étendus dans l’espace dans aucune dimension. Les imperfections ponctuelles dans les cristaux peuvent être divisées en trois catégories principales de défauts.

• Défauts de vacance. Les défauts de vacance résultent d’un atome manquant dans une position du réseau. La stabilité de la structure cristalline environnante garantit que les atomes voisins ne s’effondreront pas simplement autour de la lacune. Le type de défaut de lacune peut résulter d’un tassement imparfait pendant le processus de cristallisation, ou il peut être dû à des vibrations thermiques accrues des atomes provoquées par une température élevée. Tous les solides cristallins contiennent des lacunes et, en fait, il n’est pas possible de créer un tel matériau exempt de ces défauts. Une lacune (ou une paire de lacunes dans un solide ionique) est parfois appelée défaut de Schottky. Ce défaut ponctuel se forme lorsque des ions chargés de manière opposée quittent leurs sites de réseau, créant des lacunes. Ces lacunes sont formées en unités stoechiométriques, pour maintenir une charge globalement neutre dans le solide ionique.
• Défauts de substitution. En raison des limitations fondamentales des méthodes de purification des matériaux, les matériaux ne sont jamais purs à 100 %, ce qui induit par définition des défauts dans la structure cristalline. Les défauts de substitution résultent d’une impureté présente à une position du réseau. Pour le type substitutionnel, les atomes de soluté ou d’impureté remplacent ou se substituent aux atomes hôtes. Plusieurs caractéristiques des atomes de soluté et de solvant déterminent le degré de dissolution du premier dans le second. Celles-ci sont exprimées par les règles de Hume-Rothery. Selon ces règles, des solutions solides de substitution peuvent se former si le soluté et le solvant ont:
  • Rayons atomiques similaires (différence de 15 % ou moins)
  • Même structure cristalline
  • Électronégativités similaires
  • De valence similaire, une solution solide se mélange avec d’autres pour former une nouvelle solution
• Défauts interstitiels. Les défauts interstitiels résultent d’une impureté située au niveau d’un site interstitiel ou d’un des atomes du réseau se trouvant dans une position interstitielle au lieu d’être à sa position sur le réseau. Un auto-interstitiel est un atome du cristal qui est entassé dans un site interstitiel. Dans les métaux, un auto-interstitiel introduit des distorsions et des contraintes relativement importantes dans le réseau environnant car l’atome est sensiblement plus grand que la position interstitielle dans laquelle il se trouve. Les défauts interstitiels sont généralement des configurations à haute énergie, par contre la formation de ce défaut est peu probable. De petits atomes (principalement des impuretés) dans certains cristaux peuvent occuper des interstices sans haute énergie, comme l’hydrogène.
• Défauts de Frenkel. Un défaut de Frenkel ou une paire de Frenkel est une paire voisine d’une lacune et d’un défaut interstitiel. Cela se produit lorsqu’un ion se déplace dans un site interstitiel et crée une vacance. Leur principal mécanisme de génération est l’irradiation des particules. Les défauts de Frenkel sont typiques des dommages causés par les rayonnements causés par les neutrons à haute énergie. Un neutron de 1 MeV peut affecter environ 5000 atomes. La présence de nombreux pics de déplacement modifiera les propriétés du matériau irradié. Un pic de déplacement contient un grand nombre d’interstitiels et de lacunes de réseau.

Défauts de ligne – Dislocations

Les défauts linéaires sont généralement longs de plusieurs atomes. Les défauts de ligne sont appelés dislocations et ne se produisent que dans les matériaux cristallins. Les dislocations sont particulièrement importantes en science des matériaux, car elles aident à déterminer la résistance mécanique des matériaux. Il existe deux types de luxation de base, la luxation de bord et la luxation de vis. Les luxations mixtes, combinant des aspects des deux types, sont également fréquentes. Il est important de noter que les dislocations ne peuvent pas se terminer à l’intérieur d’un cristal. Ils doivent se terminer par un bord de cristal ou une autre dislocation, ou ils doivent se refermer sur eux-mêmes.

Les premières études sur les matériaux ont conduit au calcul des résistances théoriques des cristaux parfaits. Mais ces forces théoriques étaient plusieurs fois supérieures à celles réellement mesurées. Au cours des années 1930, on a émis l’hypothèse que cette différence de résistance mécanique pouvait s’expliquer par un type de défaut cristallin linéaire connu sous le nom de dislocation. Le terme «dislocation» faisant référence à un défaut à l’échelle atomique a été inventé par GI Taylor en 1934.

Luxation des bords

La dislocation de bord est centrée autour de la ligne de dislocation de bord qui est définie le long de l’extrémité du demi-plan supplémentaire d’ atomes. L’imperfection peut s’étendre en ligne droite tout au long du cristal ou elle peut suivre un chemin irrégulier. Il peut également être court, ne s’étendant que sur une petite distance dans le cristal, provoquant un glissement d’une distance atomique le long du plan de glissement (direction dans laquelle l’imperfection du bord se déplace). La déformation plastique macroscopique correspond simplement à une déformation permanente qui résulte du mouvement des dislocations, ou glissement, en réponse à une contrainte de cisaillement appliquée. Luxations peut se déplacer si les atomes de l’un des plans environnants rompent leurs liaisons et renouent avec les atomes au bord de terminaison. Comprendre le mouvement d’une dislocation est essentiel pour comprendre pourquoi les dislocations permettent à la déformation de se produire à des contraintes beaucoup plus faibles que dans un cristal parfait. Le mouvement de dislocation est analogue au mouvement d’une chenille. La chenille devrait exercer une grande force pour déplacer tout son corps à la fois. Au lieu de cela, il déplace légèrement la partie arrière de son corps vers l’avant et crée une bosse. La bosse se déplace alors vers l’avant et éventuellement déplace tout le corps vers l’avant d’une petite quantité. Le glissement se produit lorsque le cristal est soumis à une contrainte, et la dislocation se déplace à travers le cristal jusqu’à ce qu’elle atteigne le bord ou soit arrêtée par une autre dislocation.

Luxation de la vis

Les dislocations en vis peuvent être produites par une déchirure du cristal parallèlement à la direction de glissement. Si une dislocation de vis est suivie tout autour d’un circuit complet, elle montrerait un modèle de glissement similaire à celui d’un filetage de vis. Une luxation de vis est beaucoup plus difficile à visualiser. Imaginez couper un cristal le long d’un plan et faire glisser une moitié sur l’autre par un vecteur de réseau, les moitiés s’emboîtant sans laisser de défaut. Le mouvement d’une dislocation de vis est également le résultat d’une contrainte de cisaillement, mais le mouvement de la ligne de défaut est perpendiculaire à la direction de la contrainte et du déplacement de l’atome, plutôt que parallèle.

Le motif peut être gaucher ou droitier. Cela nécessite que certaines des liaisons atomiques soient reformées en continu afin que le cristal ait presque la même forme après avoir cédé qu’il avait auparavant.

Source: William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.

Défauts planaires – Défauts interfaciaux

Un défaut planaire est une discontinuité de la structure cristalline parfaite sur un plan. Les défauts interfaciaux sont des frontières qui ont deux dimensions et des régions normalement séparées des matériaux qui ont des structures cristallines et/ou des orientations cristallographiques différentes. Les défauts interfaciaux existent à un angle entre deux faces quelconques d’un cristal ou d’une forme cristalline. Ces imperfections se trouvent au niveau des surfaces libres, des limites de domaine, des joints de grain ou des limites d’interphase.

Limites de grain

Un joint de grain est un défaut planaire général qui sépare des régions d’orientation cristalline différente (c’est-à-dire des grains) dans un solide polycristallin. Jusqu’à présent, la discussion s’est concentrée sur les défauts des monocristaux. Cependant, les solides sont généralement constitués d’un certain nombre de cristallites ou de grains de taille et d’orientation variables. Ceux-ci ont des orientations cristallographiques aléatoires. Lorsqu’un métal commence par cristalliser, le changement de phase commence par de petits cristaux qui se développent jusqu’à fusionner, formant une structure polycristalline. Dans le bloc final de matière solide, chacun des petits cristaux (appelés « grains« ) est un vrai cristal avec un arrangement périodique d’atomes, mais l’ensemble du polycristal n’a pas d’arrangement périodique d’atomes, car le motif périodique est rompu aux joints de grains. Les grains et les joints de grains aident à déterminer les propriétés d’un matériau. Grains peut varier en taille de nanomètres à millimètres de diamètre et leurs orientations sont généralement tournées par rapport aux grains voisins. L’endroit où un grain s’arrête et un autre commence est connu sous le nom de joint de grain.Les joints de grains limitent les longueurs et les mouvements des dislocations.Par conséquent, avoir des grains plus petits (plus de surface de joint de grain) renforce un matériau. La taille des grains peut être contrôlée par la vitesse de refroidissement lorsque le matériau est coulé ou traité thermiquement. Généralement, un refroidissement rapide produit des grains plus petits tandis qu’un refroidissement lent donne des grains plus gros.

• Les grains, aussi appelés cristallites, sont des cristaux petits voire microscopiques qui se forment par exemple lors du refroidissement de nombreux matériaux (cristallisation). Une caractéristique très importante d’un métal est la taille moyenne du grain. La taille du grain détermine les propriétés du métal. Par exemple, une taille de grain plus petite augmente la résistance à la traction et tend à augmenter la ductilité. Une taille de grain plus grande est préférée pour améliorer les propriétés de fluage à haute température. Le fluage est la déformation permanente qui augmente avec le temps sous une charge ou une contrainte constante. Le fluage devient progressivement plus facile avec l’augmentation de la température.
• Limites de grains. La limite de grain fait référence à la zone extérieure d’un grain qui le sépare des autres grains. Les joints de grains séparent des régions cristallines diversement orientées (polycristallines) dans lesquelles les structures cristallines sont identiques. Les joints de grains sont des défauts 2D dans la structure cristalline et ont tendance à diminuer la conductivité électrique et thermique du matériau. La plupart des joints de grains sont des sites privilégiés pour l’apparition de la corrosion et pour la précipitation de nouvelles phases à partir du solide. Ils sont également importants pour de nombreux mécanismes de fluage. D’autre part, les joints de grains perturbent le mouvement des dislocations à travers un matériau. La propagation des dislocations est entravée en raison du champ de contraintes de la région du défaut aux joints de grains et du manque de plans et de directions de glissement et d’alignement global à travers les joints.

Jumelage – Frontières jumelles

Le maclage est un phénomène situé entre un défaut cristallographique et un joint de grain. Comme un joint de grain, un joint de macles a des orientations cristallines différentes sur ses deux côtés. Mais contrairement à un joint de grain, les orientations ne sont pas aléatoires, mais liées d’une manière spécifique, en miroir. Une frontière jumelle se produit lorsque les cristaux de chaque côté d’un plan sont des images miroir les uns des autres.

La frontière entre les cristaux maclés sera un seul plan d’atomes. Il n’y a pas de région de désordre et les atomes limites peuvent être considérés comme appartenant aux structures cristallines des deux macles.

Il existe trois modes de formation de cristaux maclés. Les macles sont soit grossies lors de la cristallisation, soit issues d’un travail mécanique ou thermique. Les jumeaux développés sont le résultat d’une interruption ou d’un changement du réseau pendant la formation ou la croissance en raison d’une déformation possible d’un ion de substitution plus grand. Les macles de recuit ou de transformation sont le résultat d’un changement de système cristallin pendant le refroidissement, car une forme devient instable et la structure cristalline doit se réorganiser ou se transformer en une autre forme plus stable. La déformation ou les macles glissantes sont le résultat d’une contrainte sur le cristal après sa formation.

Défauts groupés – Défauts volumiques

Les défauts macroscopiques tridimensionnels sont appelés défauts massifs. Ils se produisent généralement à une échelle beaucoup plus grande que les défauts microscopiques. Ces défauts macroscopiques sont généralement introduits dans un matériau lors de l’affinage à partir de son état brut ou lors des processus de fabrication. Ceux-ci incluent les fissures, les pores, les inclusions étrangères et d’autres phases. Le travail et le forgeage des métaux peuvent provoquer des fissures qui agissent comme des concentrateurs de contraintes et fragilisent le matériau. Tout défaut de soudure ou d’assemblage peut également être classé comme défaut global.

• Défauts tridimensionnels macroscopiques ou massifs, tels que pores, fissures ou inclusions.
• Vides – petites régions où il n’y a pas d’atomes et qui peuvent être considérées comme des grappes de lacunes.
• Les impuretés peuvent se regrouper pour former de petites régions d’une phase différente. Ceux-ci sont souvent appelés précipités.

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. Gonzalez-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir au dessus:

Défauts cristallographiques