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Défi de tous les savoirs (DS10)
Edition 2015


GiBBS


Comportement en ségrégation des Joints de Grains

GiBBS
Comportement en Ségrégation des Joints de Grains

Comprendre l'influence de la nature du joint et de son environnement à l'échelle atomique
La majorité des matériaux solides se présente sous la forme de polycristaux, à savoir une population de monocristaux coordonnés par un réseau 3D d'interfaces appelées joints de grains (jdg). Ces défauts étendus présentent une structure et une composition différentes de celles des grains adjacents, ce qui influence non seulement les propriétés mécaniques, thermiques et de transport de ces matériaux, mais aussi leur intégrité et leur durée de vie.
Alors que la modélisation des alliages métalliques est assez avancée, le cas de la ségrégation non-métal/métal tel que le soufre dans le nickel doit encore être éclairci. Des calculs ab initio récents ont souligné l'importance des effets chimiques (transfert de charge) sur les mécanismes de fragilisation. Mais un réel fossé existe entre ces études à 0K qui présupposent la structure et la répartition chimique, et les données expérimentales disponibles sur les interfaces, limitées par la technicité des outils nécessaires pour accéder à une information à l'échelle de la monocouche, dans les conditions expérimentales.
GiBBS vise à combler ce fossé, en coordonnant expérimentateurs et modélisateurs issus de la thermodynamique et de la métallurgie (IMN, CINaM, ARMINES-SMS) qui étudieront cette ségrégation en intégrant les récents concepts de complexions et d'anisotropie d'énergie interfaciale qui permettent d'expliquer les transitions structurales de coeur ou encore la fragilisation. Coupler des calculs à l'échelle atomique et des expériences sur des surfaces, des joints de grains de bicristaux et de polycristaux texturés de nickel-soufre permettra à GiBBS d'apporter une contribution originale et essentielle à la compréhension du comportement des interfaces de matériaux polycristallins en tenant compte de leur diversité.

Muti-objets, mutli-techniques
-Méthodes numériques à l'échelle atomique couplant ab initio, champ de force, et développement de modèles à base de connaissance
- Caractérisation de surfaces et bi-cristaux
- Quantification de la ségrégation par WDS, XPS, mise au point de spectres XPD expérimentaux et simulés
- Synthèse de films minces texturés

Résultats

- Des grandeurs de ségrégation très différentes selon les joints étudiés, en excellent accord avec les observations expérimentales.

- Mise en évidence des limitations des approches de type Champ de force actuelles pour des systèmes métal/nonmétal

- Elaboration d'un nombre limité de joints de grains dans des films de Ni texturés <111> sur substrat de saphir r(1-102)

- Excellent accord quantitatif de deux techniques différentes (XPS et WDS) pour mesurer de la ségrégation de soufre en surface

-Très bonne corrélation entre les spectres XPD expérimentaux et simulés de surface Ni (100)

Perspectives

- Classification des types de joints en fonction de leur sensibilité à la ségrégation du oufre et leur capacité à la fragilisation

- Etude de l'influence de la structure du coeur du joint

- Chargement des bicristaux et des films texturés

Productions scientifiques et brevets

Two-dimensional versus Three-dimensional Constraints in Hetero-Epitaxy/Orientation Relationships
P. Wynblatt, D. Chatain
Journal of Materials Science 52(16), 9630–9639 (2017)
DOI: 10.1007/s10853-017-1145-z

Partenaires

ARMINES-SMS ARMINES Centre SMS de l'Ecole des Mines de Saint-Etienne

CINAM Centre National de la Recherche Scientifique délégation Provence et Corse - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille

IMN Institut des Matériaux Jean Rouxel

Aide de l'ANR 414 322 euros
Début et durée du projet scientifique décembre 2015 - 48 mois

Résumé de soumission

La grande majorité des matériaux solides se présente sous la forme de polycristaux, à savoir une population de monocristaux coordonnés par un réseau 3D d'interfaces appelées joints de grains (jdg). Ces défauts étendus présentent une structure et une composition différentes de celles des grains adjacents, ce qui influence non seulement les propriétés mécaniques, thermiques et de transport de ces matériaux, mais aussi leur intégrité et leur durée de vie.
Etudiés pourtant depuis maintenant un siècle, si l'on se réfère aux travaux pionniers (1912), ces jdg sont encore l'objet de nombreuses questions d'actualité sur leur comportement en fonction de leur désorientation et de leur composition. Ces interrogations partent toutes du constat qu'il n'est pas possible de se contenter de définir un jdg "moyen" pour caractériser et comprendre les propriétés d'un polycristal, puisque les jdg ont des propriétés qui dépendent de l'orientation cristallographique des grains adjacents. Il a ainsi été récemment démontré que la population des jdg d'un polycristal pur dépend fortement de l'anisotropie en énergie interfaciale.
Les matériaux réels contiennent des impuretés - pour beaucoup non-métalliques - qui s'accumulent (ségrègent) à certains jdg, soit sous la forme de composés de basse dimension ou de solutions solides, et renforcent mais le plus souvent affaiblissent le métal. De plus ces espèces peuvent induire des variations discontinues du profil de ségrégation et des transitions structurales selon la composition volumique. Pour tenir compte de la chimie et des spécificités structurales d'un état interfacial en un seul contexte, le terme de complexions a été introduit récemment et rendu compatible avec les règles classiques de la thermodynamique des interfaces.
Alors que la science des surfaces atteint sa pleine maturité, la science des interfaces a encore besoin de beaucoup de contributions pour mieux appréhender les interfaces à toutes les échelles. Mais si la modélisation des alliages métalliques est assez avancée, permettant en particulier de distinguer les forces motrices de la ségrégation d'impuretés, le cas de la ségrégation non-métal/métal doit encore être éclairci. Des calculs ab initio récents ont souligné l'importance des effets chimiques (transfert de charge) sur les mécanismes de fragilisation. Mais un réel fossé existe entre ces études à 0K qui présupposent la structure et la répartition chimique, et les données expérimentales disponibles sur les interfaces, limitées par la technicité des outils nécessaires pour accéder à une information à l'échelle de la monocouche, dans les conditions expérimentales.
GiBBS vise à combler ce fossé, en coordonnant expérimentateurs et modélisateurs issus de la thermodynamique et de la métallurgie (IMN, CINaM, ARMINES-SMS) qui étudieront l'adsorption de solutés non-métalliques aux joints de grains d'un métal. Ils intègreront les récents concepts de complexions et d'anisotropie d'énergie interfaciale qui permettent d'expliquer les transitions structurales de coeur, la croissance anormale de grains ou encore la fragilisation. Coupler des calculs à l'échelle atomique et des expériences sur des surfaces, des joints de grains de bicristaux et de polycristaux texturés de nickel-soufre permettra à GiBBS d'apporter une contribution originale et essentielle à la compréhension du comportement des interfaces de matériaux polycristallins en tenant compte de leur diversité, de leur anisotropie d'énergie induite par leur désorientation et de leur épaisseur spécifique dépendante de la propriété considérée. Dans cette étude à visée uniquement fondamentale, le système Ni-S est un modèle des interactions métal/non-métal; notons cependant que le Ni polycrystallin est largement étudié et employé dans l'industrie métallurgique des superalliages contenant pas moins de 20 éléments, dont le soufre, impureté fragilisante bien-connue.

 

Programme ANR : Défi de tous les savoirs (DS10) 2015

Référence projet : ANR-15-CE30-0016

Coordinateur du projet :
Madame Isabelle Braems-Abbaspour (Institut des Matériaux Jean Rouxel)

Site internet du projet : https://www.cnrs-imn.fr/GIBBS/

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.