Contraintes mécaniques, cohérence interfaciale et cinétique dans l'oxydation des métaux : application d'une modélisation au zirconium

• Auteur / Autrice : Isabelle Salles-Desvignes
• Direction : Gilles Bertrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-Physique
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Dijon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zirconium

Simulation par ordinateur

Épitaxie

Contraintes (mécanique)

Oxydation

Résumé

L'oxydation des métaux est un processus qui allie à la fois des phénomènes chimiques, thermomécaniques et interfaciaux. Dans le but de mieux appréhender ce processus, nous étudions un modèle macroscopique permettant de reconstituer théoriquement la cinétique d'oxydation d'un métal aux premiers instants de la réaction en tenant compte à la fois : - des interactions entre mécanique et diffusion, - des déformations libres de contraintes intervenant à l'interface métal/oxyde. Ce modèle est applique à l'oxydation anionique du zirconium. Notre approche nécessite la résolution d'un système d'équations intégro-différentielles non linéaires dans lequel une loi de diffusion thermo-mécano-chimique est associée à des conditions aux limites d'origine mécanique et thermodynamique. A l'interface métal/oxyde, seules des déformations libres de contraintes d'origine cristallographiques (raccordement des réseaux du métal et de l'oxyde) sont considérées. Leur évaluation est proposée à l'aide d'une généralisation de la méthode de Bollmann associée à une analyse expérimentale de la répartition des orientations dans le métal et l'oxyde. Ces déformations sont intégrées au modèle par le biais d'une équation d'équilibre micromécanique vérifiant la cohérence de l'interface. Des simulations de la cinétique sont discutées en fonction de différents paramètres, et comparées aux résultats expérimentaux. Associées au processus diffusionnel, les contraintes apparaissent essentielles dans l'évolution temporelle de la couche d'oxyde. Une modification de l'orientation de l'oxyde à la surface du métal conduit à une répartition différente du champ de contrainte dans le composite modifiant le régime cinétique du matériau. L'évolution permanente du champ de contrainte dans l'oxyde conduit à une loi d'oxydation dont les paramètres ne peuvent être constants tout au long du processus, comme nous l'observons sur les cinétiques expérimentales.