Défaut cristallin

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Le cristal parfait est un modèle idéal, dans lequel les espèces (molécules, ions, atomes) sont empilées de manière régulière et infinie.

Dans la réalité, tout cristal présente des défauts par rapport à ce modèle idéal, le premier étant la surface extérieure de ce cristal.

Cette modification de la surface extérieure est due au fait que les atomes au bord du cristal ne subissent pas les mêmes forces que les atomes au centre de la maille cristalline et du cristal lui-même, amenant une déformation de la surface extérieure du cristal par rapport au « modèle parfait ».

Ce sont les défauts cristallins qui sont à l'origine de certaines propriétés intéressantes de la matière, telles que la déformation plastique, la résistance à la rupture, la conductivité électrique et notamment électronique, la couleur. Les défauts cristallins sont répartis en différent types :

On distingue quatre types de défauts :

Défauts ponctuels[modifier | modifier le code]

En fonction de dimensions, les défauts ponctuels sont des défauts dans l'organisation des cristaux qui ne concernent que des nœuds isolés. Les défauts plus importants dans une structure ordonnée sont généralement considérés comme des boucles de dislocation. Pour des raisons historiques, de nombreux défauts ponctuels, en particulier dans les cristaux ioniques, sont appelés centres: par exemple, une lacune dans de nombreux solides ioniques est appelée centre de luminescence, centre de couleur ou centre F. Ces dislocations permettent le transport ionique à travers des cristaux conduisant à des réactions électrochimiques. Ceux-ci sont fréquemment spécifiés en utilisant la notation Kröger-Vink.

types de défauts

Lacune[modifier | modifier le code]

Lacune

Une lacune est le défaut cristallin le plus simple. c'est un site du réseau ne contenant aucun motif, aucun atome. Il résulte de l'absence d'une unité cristalline (un atome) dans la maille du réseau. L'existence des lacunes a été prédite en 1926 par Frenkel [1]. Il existe deux mécanismes de formation de lacunes lorsque l'atome quitte un nœud du réseau. Dans le premier cas, l'atome se déplace vers la surface/l'extérieur du matériau, ce type de défauts est nommé "défauts de Schottky"[2]. Dans le deuxième cas, l'atome d'un nœud de la grille se déplace en position (auto-)interstitielle. Ces défauts sont appelés « défauts de Frenkel ».

Interstitiels[modifier | modifier le code]

Les défauts interstitiels sont des atomes positionnés dans les espace vides du réseaux cristallins. Si l'atome en insertion est de même nature que les atomes constituant les réseaux , on parle alors de défaut auto interstitiel.

Défauts extrinsèques : insertion ou substitution[modifier | modifier le code]

Les cristaux ne sont pas purs, il existe toujours des impuretés, cela mène donc à des défauts. Si un atome est de nature différente à celle des atomes constituants le réseau, il s'agit d'un défaut extrinsèque.

Ainsi les impuretés peuvent s'insérer de deux manières, interstitiel ou substitutionnel. Cela dépend du rayon atomique et des propriétés chimiques de l'atome. En général une impureté en insertion interstitiel sera un atome plus petit , (environ 45 % la taille de l'atome formant le réseau) Dans le cas d'impuretés substitutionnels, l'atome étranger est de la même taille que les atomes constituant le réseau (rayon atomique proche à environ 15 %), il peut ainsi les remplacer sur un site du réseau. Pour que ce phénomène se produise, les impuretés doivent être chimiquement équivalentes à l'élément qui constitue l'ensemble du cristal[3].

Défauts linéaires[modifier | modifier le code]

Les défauts linéaires sont appelés « dislocations ». Ce sont des défauts de dimension 1, c'est-à-dire que la largeur des défauts est très petite devant les dimensions du cristal.

Dislocation[modifier | modifier le code]

Le principal type de défaut 1D est la dislocation. La théorie décrivant les champs élastiques des défauts a été développée à l'origine par Vito Volterra en 1907 [4], mais le terme "dislocation" pour désigner un défaut à l'échelle atomique a été inventé par G. I. Taylor en 1934 [5]. Une dislocation est un défaut linéaire correspondant à une discontinuité dans l'organisation de la structure cristalline. Il existe trois types de dislocations : les dislocations coin, les dislocations vis et les dislocations mixtes.

Dislocation coin vue en bout et cœur

Les dislocations coins peuvent être comme un demi-plan atomique supplémentaire dans une structure parfaite. Lorsqu'une force suffisante est appliquée d'un côté de la structure cristalline, ce plan supplémentaire traverse des plans d'atomes qui se brisent et se rejoignent avec des liaisons jusqu'à ce qu'il atteigne la limite des grains. La dislocation a deux propriétés, une direction de ligne, qui est la direction court le long du bas du demi-plan supplémentaire, et le vecteur de Burgers qui décrit l'amplitude et la direction de la distorsion au treillis. Dans une dislocation coin, le vecteur de Burgers est perpendiculaire à la direction de la ligne.

Les forces causées par une dislocation de bord sont complexes en raison de son asymétrie inhérente. Ces forces sont décrites par trois équations[6]:

où μ est le module de cisaillement du matériau, b est le vecteur de Burgers, ν est le coefficient de Poisson et x et y sont les coordonnées.

Les dislocations vis sont caractérisées par le fait qu'une partie d'un plan de motif est déformé, un plan s'est déplacé d'un ou de plusieurs motifs par rapport au plan voisin. Une déformation se produit lorsqu'une dislocation se déplace à travers le cristal. C'est la présence de dislocations qui conduisent à la malléabilité caractéristique des matériaux métalliques. Une dislocation de vis est beaucoup plus difficile à visualiser. Imaginez que vous coupiez un cristal le long d'un avion et glissiez l'un sur l'autre à travers un vecteur en treillis, les moitiés s'emboîtant sans laisser de défaut. Si la coupe ne traverse que partiellement le cristal, puis glisse, la limite de la coupe est une dislocation vis. Dans les dislocations de vis pure, le vecteur de Burgers est parallèle à la direction de la ligne[7].

Défauts surfaciques[modifier | modifier le code]

Les joints de grains et les macles sont des interfaces entre deux cristaux dans un système polycristallin.

Joints de grains[modifier | modifier le code]

La plupart des matériaux sont polycristallins, cela signifie qu'ils sont composés de nombreux cristaux individuels microscopiques, appelés grains. Ces cristaux sont orientés aléatoirement les uns par rapport aux autres.

La frontière entre les cristaux est appelée « joint de grain ». C'est une surface, donc un défaut de dimension 2. Dans un matériau homogène, deux cristaux voisin ont le même réseau cristallin, mais orienté différemment. Le joint de grain est donc une frontière d'un défaut d'orientation. Le joint de grain est une « fine tranche » dans laquelle les atomes restent organisés, mais de sorte à adapter la désorientation. l'épaisseur de cette paroi est très petite devant les dimensions du cristal. Joint de faible désorientation fait d'une paroi de dislocations coin. Les joints de faible désorientation sont des parois de dislocation vis (joint de flexion) ou coin (joint de torsion).

Le mouvement d'une déformation à travers un solide a tendance à s'arrêter aux joints de grains, Par conséquent, le contrôle de la taille des grains dans les solides est nécessaire pour obtenir afin d'obtenir des propriétés mécaniques souhaitables. Les matériaux à grain fin sont généralement beaucoup plus résistant que ceux à grain grossier.

Macle (cristallographie)[modifier | modifier le code]

Une macle est une association orientée de deux ou plusieurs cristaux identiques, dits individus, reliés par une opération de groupe ponctuel de symétrie.

Macle par pénétration de trois cristaux de pyrite

Défauts volumiques[modifier | modifier le code]

Les cavités sont des défauts correspondant à l'accumulation/coalescence de lacunes (mono/multi) qui forment soit des “pores”, soit des “canaux” ou sont créés lors de cascades de déplacement(pour origines les dommages sous irradiation).

Pores[modifier | modifier le code]

Les pores sont des «bulles» dans la matière. Cela peut être des bulles de vide, obtenues par condensation de lacunes : si le cristal contient de nombreuses lacunes, celles-ci diffusent et se regroupent pour former une cavité vide.

Précipités[modifier | modifier le code]

Les précipités sont des cristaux de nature différente de l'environnement, à la manière des amandes dans le nougat. Ils résultent d'un regroupement (condensation) d'atomes étrangers.

Inclusion[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. J.I. Frenkel, Z. Phys. 35, 652 (1926).
  2. C. Wagner and W. Schottky, Z. phys. Chem. 11, 163 (1930)
  3. https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/General_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Chemistry_(Averill_and_Eldredge)/12%3A_Solids/12.4%3A_Defects_in_Crystals
  4. Vito Volterra (1907) "Sur l'équilibre des corps élastiques multiplement connexes", Annales Scientifiques de l'École Normale Supérieure, Vol. 24, p. 401–517
  5. G. I. Taylor (1934). "The Mechanism of Plastic Deformation of Crystals. Part I. Theoretical". Proceedings of the Royal Society of London. Series A. 145 (855): 362–87. Bibcode:1934RSPSA.145..362T. doi:10.1098/rspa.1934.0106. JSTOR 2935509.
  6. R. E. Reed-Hill (1994) "Physical Metallurgy Principles" ISBN 0-534-92173-6
  7. If the cut only goes part way through the crystal, and then slipped, the boundary of the cut is a screw dislocation. It comprises a structure in which a helical path is traced around the linear defect (dislocation line) by the atomic planes in the crystal lattice (Figure C). Perhaps the closest analogy is a spiral-sliced ham. In pure screw dislocations, the Burgers vector is parallel to the line direction