Contribution à l'étude de phénomènes de germination, de démixtion et de métastabilité morphologique

par EMMANUEL CINI

Thèse de doctorat en Science et Génie des matériaux

Sous la direction de Pierre Desré.

Soutenue en 1997

à Grenoble INPG .


  • Résumé

    Une approche thermodynamique de la germination cristalline dans les alliages liquides binaires est presentee. Elle demontre que les fluctuations de concentration a l'etat liquide peuvent constituer des sites privilegies pour la germination. Les fluctuations de l'ordre chimique local sont supposees decorrelees des fluctuations de structure. L'application est faite aux systemes presentant une tendance a la demixtion. L'analyse statistique du mecanisme indique que le rendement de transformation des fluctuations en germes solides augmente avec la surfusion et atteint une valeur maximale pour une surfusion relative egale a 2/3. La decomposition spinodale est ensuite abordee. L'etude topologique detaillee de la separation de phases revele une transition continue entre metastabilite et instabilite lorsque les interactions entre atomes sont de courte portee. En outre, une taille critique pour la phase mere est mise en evidence en deca de laquelle la decomposition spinodale est thermodynamiquement impossible. Cette taille critique obtenue dans le cadre du formalisme capillaire s'avere identique a celle obtenue par les theories continues des transitions de phases quand la relaxation des contraintes physico-chimiques a l'interface est prise en compte. Un effet de stabilisation analogue est egalement trouve pour la germination lorsque la taille du systeme devient petite. Une analyse critique des phenomenes d'affinage de grains en solidification hors equilibre est enfin developpee. Les principaux mecanismes explicatifs ne rendant que partiellement compte des observations, l'hypothese d'une formation directe des structures affinees est avancee sur la base de resultats theoriques de la croissance cristalline. Aux fortes surfusions, un front de solidification peut evoluer vers un comportement chaotique quand la cinetique interfaciale est finie. Des effets analogues peuvent resulter quand l'anisotrope cinetique entre en competition avec l'anisotropie d'energie interfaciale. Les echantillons metalliques fortement sous-refroidis elabores dans le tube a chute libre de grenoble subissent une recristallisation, potentiellement reliee a l'existence de phases metastables. Certaines metastabilites morphologiques apparaissent egalement qui supportent l'hypothese cinetique.

  • Titre traduit

    A contribution to the study of nucleation, phase separation and morphological metastability phenomena


  • Résumé

    A thermodynamic approach of homogeneous nucleation in binary liquid alloys is presented. It postulates that concentration fluctuations in the liquid state can provide favoured sites for nucleation. This mechanism considers local chemical order fluctuations and structure fluctuations as separated events. A statistical analysis shows that the efficiency of the transformations of liquid fluctuations into solid nuclei increases with the amount of undercooling and reaches a maximum for a relative level of undercooling equal to 2/3. Spinodal decomposition is also considered. Particular emphasis is laid upon the topological aspects of phase separation, which provide evidence for a continuous transition from metastability to instability in the case of short range atomic interactions. Furthermore, a critical size for the mother phase appears, below which spinodal decomposition is thermodynamically impossible. This critical size, brought to the fore in the frame of the capillary formalism, becomes identical to that obtained by the continuous theories of phase transitions when physico-chemical constraints at the interface are relaxed. The stabilising effect of the mother phase size is also demonstrated for nucleation. Finally, grain refinement phenomena encountered in non equilibrium solidification processes are reviewed. In addition to a critical assessment of the main explanatory mechanisms, a new approach is proposed, which is based on the kinetic undercooling at the solidification front. At high supercooling levels, planar front stabilisation may be preceded by a transient unstable regime which could cause the solidification structure to be refined. Similar structures can also result when kinetic anisotropy interferes with surface tension anisotropy. Highly undercooled metallic samples processed in the 48 meter high Grenoble drop tube undergo a recrystallization phenomenon that is likely related to the existence of metastable phases. Besides, morphological instabilities are noticeable, which support the kinetic approach.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (116 p.)
  • Annexes : 119 REF.

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