Contraintes mecaniques, coherence interfaciale et cinetique dans l'oxydation des metaux : application d'une modelisation au zirconium

par ISABELLE SALLES DESVIGNES

Thèse de doctorat en Sciences et techniques

Sous la direction de Gilles Bertrand.

Soutenue en 1999

à Dijon .

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Résumé

L'oxydation des metaux est un processus qui allie a la fois des phenomenes chimiques, thermo-mecaniques et interfaciaux. Dans le but de mieux apprehender ce processus, nous etudions un modele macroscopique permettant de reconstituer theoriquement la cinetique d'oxydation d'un metal aux premiers instants de la reaction en tenant compte a la fois : - des interactions entre mecanique et diffusion, - des deformations libres de contraintes intervenant a l'interface metal/oxyde. Ce modele est applique a l'oxydation anionique du zirconium. Notre approche necessite la resolution d'un systeme d'equations integro-differentielles non lineaires dans lequel une loi de diffusion thermo-mecano-chimique est associee a des conditions aux limites d'origine mecanique et thermodynamique. A l'interface metal/oxyde, seules des deformations libres de contraintes d'origine cristallographiques (raccordement des reseaux du metal et de l'oxyde) sont considerees. Leur evaluation est proposee a l'aide d'une generalisation de la methode de bollmann associee a une analyse experimentale de la repartition des orientations dans le metal et l'oxyde. Ces deformations sont integrees au modele par le biais d'une equation d'equilibre micro-mecanique verifiant la coherence de l'interface. Des simulations de la cinetique sont discutees en fonction de differents parametres, et comparees au resultats experimentaux. Associees au processus diffusionnel, les contraintes apparaissent essentielles dans l'evolution temporelle de la couche d'oxyde. Une modification de l'orientation de l'oxyde a la surface du metal conduit a une repartition differente du champ de contrainte dans le composite modifiant le regime cinetique du materiau. L'evolution permanente du champ de contrainte dans l'oxyde conduit a une loi d'oxydation dont les parametres ne peuvent etre constants tout au long du processus, comme nous l'observons sur les cinetiques experimentales.

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