Que sont les joints de grain – Taille de grain – Définition

Tous les solides ne sont pas des monocristaux (par exemple, les semi- conducteurs de silicium). La plupart des solides cristallins sont composés d’un ensemble de nombreux petits cristaux ou 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 matériau 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 à les joints de grains. Les grains et les joints de grains aident à déterminer les propriétés d’un matériau.

• 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. Par conséquent, la réduction de la taille des cristallites est un moyen courant d’améliorer la résistance mécanique, car les grains plus petits créent plus d’obstacles par unité de surface du plan de glissement.

Orientation des grains

L’ orientation des cristallites peut être aléatoire sans direction préférée, appelée texture aléatoire, ou préférée, éventuellement en raison des conditions de croissance et de traitement. Une orientation aléatoire peut être obtenue par laminage croisé du matériau. Si un tel échantillon était suffisamment laminé dans une direction, il pourrait développer une structure à grains orientés dans la direction de laminage. C’est ce qu’on appelle l’orientation préférée. Dans de nombreux cas, l’orientation préférée est très souhaitable, mais dans d’autres cas, elle peut être très nocive. Par exemple, l’orientation préférée des éléments combustibles à l’uranium peut entraîner des changements catastrophiques de dimensions pendant l’utilisation dans un réacteur nucléaire.

Référence spéciale: US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.

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:

Structure cristalline