Extrait de cours

Défauts cristallins et alliages

Sciences physiques et chimiques

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Lacunes, dislocations, joints de grains ; insertion et substitution

Cours

Du cristal parfait au métal réel

Une pièce métallique n'est pas un cristal : c'est un assemblage de petits cristaux, les grains (de 1 µm à quelques centimètres selon l'élaboration et les traitements) ; on dit qu'elle est polycristalline.
Dans chaque grain, l'empilement n'est jamais parfait : il contient des défauts, rangés selon leur dimension.

Défaut	Dimension	Exemples
ponctuel	un atome	lacune, atome en insertion ou en substitution
linéaire	une ligne	dislocations
plan	une surface	joints de grains

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Les défauts ponctuels

1, lacune : un nœud du réseau est vide.
2, insertion : un petit atome étranger (H, B, C, N) se loge entre les atomes du métal.
2′, auto-interstitiel : un atome du métal hors de sa place.
3, 3′, substitution : un atome étranger remplace un atome du métal.

Ils ont la taille d'un atome. Les atomes se déplacent dans le solide (diffusion) : les atomes en substitution grâce aux lacunes ; les petits atomes (C, N) sautent de site interstitiel en site interstitiel : c'est ainsi que le carbone et l'azote pénètrent l'acier (cémentation, nitruration).

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Les défauts linéaires : les dislocations

dislocation coin : ⊥, la ligne de dislocation vue en bout ; en tirets, le plan de glissement (plan le long duquel la dislocation avance)

Dislocation coin : un demi-plan d'atomes supplémentaire (en or) s'arrête à l'intérieur du cristal ; sa limite est la ligne de dislocation.
Il existe un second type de dislocation, la dislocation vis, et un second défaut plan, le joint de macle : voir « Pour aller plus loin ».

À retenir

Les dislocations sont à l'origine de l'essentiel de la déformation plastique (celle qui reste après l'effort) des métaux.

Pour aller plus loin

Les défauts linéaires : la dislocation vis

Pour aller plus loin

La dislocation vis.

le bloc avant droit a glissé d'un pas atomique, parallèlement à la ligne ; en or, un plan d'atomes qui descend d'un pas en faisant le tour de la ligne (hélice)

Dislocation vis : une partie du cristal a glissé d'un pas atomique, parallèlement à la ligne de dislocation ; les plans s'enroulent autour de la ligne comme une rampe d'escalier en hélice.

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Comment un métal se déforme sans casser

Sous l'effort, la dislocation avance d'un pas atomique à la fois : quelques liaisons se cassent et se referment, jamais toutes en même temps. Le glissement demande donc un effort bien plus faible que la rupture d'un plan entier (τ : contrainte de cisaillement).
Quand elle sort du cristal, une marche d'un atome apparaît : des milliards de marches font la déformation visible (pliage, roulage, emboutissage).
Comme on déplace un grand tapis en y poussant un pli plutôt qu'en le tirant d'un bloc.

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Les défauts plans

Joint de grains : zone de désordre de quelques distances atomiques entre deux grains d'orientations différentes. Les joints gênent le passage des dislocations : un métal à grains fins est plus résistant.

Pour aller plus loin

Le joint de macle.

Les dislocations ne sont pas le seul mode de déformation plastique : l'autre mode, le maclage, crée des macles.

Joint de macle : plan de part et d'autre duquel les deux réseaux sont symétriques, comme dans un miroir. Les macles apparaissent lors du recuit des métaux CFC (cuivre, laiton, inox austénitique) et lors de la déformation des métaux hexagonaux (zinc, magnésium, titane).

Exercice 1 — on fait ensemble

Reconnaître les défauts ponctuels

Le schéma représente un plan d'atomes d'un métal : les atomes du métal sont en gris, les atomes étrangers en couleur.

1.Nommer les défauts A, B, C, D et E.
2.Ces défauts sont-ils ponctuels, linéaires ou plans ? Justifier.
3.Lesquels peuvent exister dans un métal parfaitement pur ?

Correction — question 1

1. A et B : atomes étrangers en substitution, plus gros (A) et plus petit (B) que les atomes du métal ; C : auto-interstitiel (atome du métal hors de sa place) ; D : atome étranger en insertion ; E : lacune.

Correction — question 2

2. Ce sont des défauts ponctuels : chacun ne concerne qu'un atome et son voisinage immédiat.

Correction — question 3

3. Dans un métal pur, il n'y a pas d'atome étranger : seuls la lacune (E) et l'auto-interstitiel (C) sont possibles.

La suite

Ce chapitre existe en version complète

Alliages : insertion ou substitution, exemples industriels (or 18 carats, cupro-aluminium)
Exercices corrigés pas à pas, à données variables
Livret élève imprimable et fiches mémo A5

Sciences physiques et chimiques industrielles

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