La transformation martensitique isotherme est généralement caractérisée par une germination thermiquement activée sur des sites préférentiels suivie par une rapide croissance de la martensite par la création et l’expansion de boucles de dislocations. Au cours de la germination, le mouvement des interfaces δ/défauts est indispensable et permet à l’embryon d’atteindre sa configuration critique. Selon Kaufman et al. [KAU 58], ce sont les fluctuations thermiques qui favoriseraient l’expansion de ces boucles de dislocations. Expérimentalement, des analyses MET réalisées par Moore et al. [MOO 07] dans plusieurs zones δ d’un échantillon d’alliage PuGa 2at.% partiellement transformé ont mis en évidence une densité de dislocation de 2,2.1010 cm-2 dans les zones isolées révélant la préexistence de dislocations dans la matrice δ avant transformation (Figure I.39a). Ces analyses ont également montré une densité de dislocation de 1,7.1011 cm-2 soit 7,7 fois plus importante près des zones transformées (Figure I.39b). Ces résultats démontrent d’une part l’existence préalable de ces dislocations pouvant être à l’origine de l’étape de germination et d’autre part que la contraction volumique de 20%, observée lors de la transformation δ→α’, génèrent des champs locaux de contrainte et l’apparition de plasticité localisée au voisinage de la phase martensitique en lattes ou plaquettes favorisant ainsi la formation de nouveaux sites de germination. Notons, qu’une fois la barrière de germination franchie, la martensite croit rapidement à basses températures avec des vitesses extrêmement rapides (proche de la vitesse de propagation du son). Les interfaces se doivent ainsi d’être particulièrement mobiles.
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Figure I.39 : Image MET révélant la densité de dislocation dans un alliage PuGa 2at.% partiellement transformé : (a) dans une zone monophasée δδδδ et (b) près d’une plaquette αααα’.
Quelques années plus tard, Platteau et al. [PLA 10] ont confirmé de manière indirecte les valeurs de densité de dislocations présentes dans un alliage PuGa 2at.% avant et après transformation, via une analyse des largeurs de raies (taille et microdéformations) de diagrammes de diffraction des rayons X enregistrés à 25°C (état initial), après transformation à -130°C puis après retour à la température ambiante. Les résultats sont présentés sur la Figure I.40 et s’avèrent être en accord avec les observations MET de Moore et al. [MOO 07] présentées sur la Figure I.39.
Figure I.40 : Densité de dislocation calculée avant et après transformation d’un alliage PuGa 2at.% à partir de la détermination de microdéformations et de taille de cristallites.
D’autres auteurs tels Blobaum et al. [BLO 06A] et Jeffries et al. [JEF 09B] associent plutôt la germination hétérogène à l’existence d’inclusions de type α et/ou β dans la phase mère δ des alliages PuGa. En effet, différentes études (DSC et métallographie optique) ont révélé que l’étape de préparation des échantillons modifiait la cinétique de transformation martensitique ainsi que le taux de phase formée. Ces comportements révèleraient ainsi la précipitation d’un autre type de sites de germination préférentiels au sein de la phase δ directement lié à la nature du conditionnement appliqué aux échantillons (température et durée).
La Figure I.41 illustre ainsi la dépendance du taux de martensite formée en fonction de la température choisie pour le conditionnement. Ce taux apparaît maximal à température ambiante et décroit avec l’abaissement ou l’augmentation de la température de conditionnement. Etant donnée la plage de température considérée, les précipités seraient de type α (T<120 °C) ou de type β (T>120 °C), les premiers apparaissant les plus favorables à la transformation martensitique.
(a) (b)
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Figure I.41 : Corrélation entre résultats expérimentaux (métallographie optique et DSC) et calculs mettant en évidence les domaines d’existence des inclusions ααα et βα βββ en fonction de la
température de conditionnement de l’échantillon de PuGa 1,9at.%.
La Figure I.42 illustre quant à elle l’influence de la durée d’un traitement thermique de conditionnement des échantillons à température ambiante sur l’énergie dégagée pendant la transformation martensitique (ou celle absorbée au cours de la transformation inverse), grandeur proportionnelle au taux de martensite formée. Les résultats montrent clairement que le taux de martensite augmente avec la durée du maintien à température ambiante avec l’apparition d’un effet de saturation à partir de 6 heures de conditionnement.
Figure I.42 : Résultats DSC représentant l’influence de la durée d’un conditionnement d’un échantillon de PuGa 2at.% à température ambiante sur la transformation martensitique ainsi que sur le processus de réversion [BLO 06A].
Un autre type d’inclusion a également été suggéré par Conradson et al. [CON 14] par des études de la structure locale d’alliage de Pu(Ga<3,3at.%) via des expériences de type EXAFS (Extended X Ray Absorption Fine Structure) et PDF (Pair Distribution Fonction). En effet, les auteurs ont remarqué la présence de distances interatomiques (ne correspondant pas à la phase δ) qu’ils considèrent appartenir à des nano domaines σ de structure cubique centrée présentant une teneur en gallium réduite. Il y aurait ainsi coexistence de deux structures cristallographiques identiques à deux échelles différentes. Ces hétérogénéités nanométriques pourraient ainsi constituer des sites précurseurs à la transformation martensitique.
Notons que d’autres analyses PDF ont été réalisées par Platteau et al. [PLA 09]sur des échantillons de PuAl dont le comportement est très proche de celui des alliages de PuGa afin d’étudier la nature de ces « précurseurs ». Les fonctions de distribution de pairs présentées sur la figure I.43 révèlent la présence de pics n’appartenant pas à la phase δ; cependant, les auteurs ne sont pas parvenus à identifier la structure cristalline de ces inclusions potentielles.
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Figure I.43 : Affinement Rietveld dans l’espace direct d’une PDF avec une structure Pu-δδδδ (cfc) montrant la présence de distances interatomiques se différenciant du modèle structural proposé.
En résumé, la question sur la nature des sites de germination hétérogènes, dislocations et ou inclusions de types α, β ou σ, à l’origine de la transformation martensitique isotherme dans les alliages de plutonium reste largement ouverte.