Joint de grains fortement désorienté

Cette partie est consacrée aux joints de grains fortement désorientés. Dans un premier temps, un joint de grains sera présenté après traitement thermique (8h-450°C) afin de distinguer la contribution thermique de celle induite par irradiation, 8 h correspondant à la durée de l’irradiation. La seconde partie sera dédiée à la caractérisation d’un autre joint de grains fortement désorienté à l’état irradié. Dans cette partie, le joint de grains avant irradiation est manquant. L’état de référence est alors réalisé sur un joint de grains traité thermiquement ayant une structure « proche ». Les deux joints de grains ont été sélectionnés de manière à ne pas avoir de joint de grains de coïncidence (Σ), qui sont des cas particuliers, en comparant leurs structures aux tables de Mykura [19].

a. Ségrégation avant irradiation d’un échantillon traité thermiquement 8h à 450 °C

Les conditions de réalisation du traitement thermique ont été choisies afin d’être identiques à celles réalisées durant l’irradiation en température. Un traitement thermique de 8h à 450°C sous un vide secondaire a été réalisé sur des disques électropolis de 3 mm de diamètre. La structure du joint de grains analysé dans cette première partie est la suivante : 55° [3-4-4](-8,1,-4)(10,4,1), c’est un joint de grains général. Ce joint de grains avait été identifié par le critère de Brandon [20] comme un joint de grains Σ3. Après vérification de sa structure, il s’est avéré qu’il s’agissait d’un « faux positif » induit par la tolérance du critère utilisé. C’est ce résultat qui a motivé la recherche d’un nouveau critère d’identification des joints de grains Σ3, dont les résultats ont été présentés dans le chapitre 3. Un exemple de profil au travers du joint de grains est présenté en Figure 110. Deux pointes ont été analysées dans cette condition.

Figure 110 : a) Reconstruction d’un volume de SAT contenant le joint de grains fortement désorienté 55° [3-4-4](-8,1,-4)(10,4,1), dans un alliage Fe13%at.Cr après traitement thermique 8h à 450°C, b) profil de composition du chrome et du

L’ensemble des résultats des deux analyses réalisées sur joints de grains fortement désorientés après traitement thermique sont repris dans le Tableau 14 .

Tableau 14 : Synthèse de la quantification de la ségrégation sur le joint de grains fortement désorienté 55° [3-4-4](-8,1,-4)(10,4,1), dans un alliage Fe13%at.Cr après traitement thermique 8h à 450°C.

N° pointe %Cr max ГCr (at.nm-2) %C max ГC (at.nm-2)

1 19,14 ± 1,02 23,7 3,18 ± 0,38 6,23

2 19,98 ± 1,14 15,8 3,60 ± 0,46 7,0

Sur ces deux échantillons issus du même joint de grains traité thermiquement, une ségrégation en chrome et en carbone est observable. La teneur maximale en chrome est en moyenne à 19,56 %at. avec un écart type de 0,59 %at. Les valeurs d’excès de Gibbs montrent toutefois un écart plus important entre les deux pointes avec une moyenne de 19,75 at.nm-2 et un écart type de 5,59 at.nm- 2. Le joint de grains étant un puits de défauts, il était attendu qu’une ségrégation en soluté (chrome et carbone) ait lieu [2,21]. Si on s’en tient à l’aspect stérique, il a été prouvé que dans le molybdène, un alliage cubique centré, le carbone ségrége au cœur des unités structurelles dans le joint de grains [22]. La composition maximale en carbone sur le joint de grains est en moyenne de 3,39 %at avec un écart type de 0,30 %at. Les excès de Gibbs pour le carbone sont en moyenne de 6,62 at.nm-2 et un écart type de 0,54 at.nm-2.

En résumé :

Le traitement thermique appliqué à l’échantillon contenant les joints de grains fortement désorientés engendre une co-ségrégation de chrome et de carbone sur le joint de grains. Aucune hétérogénéité n’est visible dans le plan du joint de grains ou dans la matrice. Ces résultats serviront de référence pour

les mesures après irradiation.

b. Ségrégation après irradiation

Le joint de grains fortement désorienté après irradiation n’est pas le même que celui présenté dans la partie précédente. La structure du joint de grains irradié, 2 dpa à 450°C, est la suivante : 37°[310](7-4-1)(5.10.2). Deux pointes ont pu être analysées dans cette condition. Les deux volumes sont présentés en Figure 111.

Figure 111 : a) et c) Reconstructions des volumes de SAT contenant le joint de grains fortement désorienté 37°[310](7-4-1)(5.10.2) irradié Fe5+5 MeV à 450°C pour une dose de 2 dpa, dans un alliage Fe13%at.Cr, b)et d) profils de composition du

chrome et du carbone au travers du joint de grains, volume d’échantillonnage : 30x30x45 nm3et 16x22x32 nm3.

L’ensemble des résultats des deux analyses réalisées sur joints de grains fortement désorientés après irradiation sont repris dans le Tableau 15.

Tableau 15 : Synthèse de la quantification de la ségrégation sur le joint de grains fortement désorienté 37°[310](7-4-1)(5.10.2) à l’état irradié, dans un alliage Fe13%at.Cr.

N° pointe %Cr max ГCr (at.nm-2) %C max ГC (at.nm-2)

1 15,12 ± 0,64 -52,13 1,47 ± 0,22 2,3

2 22,36 ± 1,14 8,09 0,94 ± 0,18 0,52

Les deux profils réalisés au travers des joints de grains présentent des résultats très différents avec un profil en W plus ou moins marqué. Rappelons que les deux joints de grains contenus dans ces volumes présentent la plus grande différence d’orientation des normales au plan du joint de grains quantifié le long d’un même joint de grains (cf. Chapitre 3 & Annexe 1). Cette différence d’orientation des normales au plan est d’environ 6,7° bien que l’axe et l’angle de désorientation soient identiques à 0,8° près. Les variations de ségrégation après irradiation entre ces deux pointes peuvent s’expliquer par cette variation angulaire qui induit des différences de structure au sein des joints de grains. Les reconstructions présentées sur la Figure 111 permettent de visualiser des hétérogénéités dans le plan des joints de grains. La répartition des atomes de chrome est très inhomogène. Le plan du joint de

grains d’un des deux volumes est présenté en Figure 112.a et témoigne de cette hétérogénéité de la distribution des atomes de chrome.

Figure 112 : a) atomes de chrome et iso-composition à 21%at Cr dans le plan du joint de grains 37°[310](7-4-1)(5.10.2) irradié Fe5+5 MeV à 450°C pour une dose de 2 dpa, dans un alliage Fe13%at.Cr, b) profil de composition du chrome et du

carbone tracés perpendiculairement au joint de grains au travers d’une zone enrichie identifiée par l’iso-composition, volume d’échantillonnage : 16x6x35 nm3.

Grâce à l’iso-composition, des profils traversant le joint de grains sur des zones enrichies ont été extraits des deux volumes analysés, un exemple de profil est présenté en Figure 112.b. Au total, 4 profils ont pu être obtenus, la composition moyenne en chrome atteint (64,7 ± 5,38) %at. et (3,9 ± 0,8) %at. de carbone. C’est la présence et la répartition de ces zones enrichies qui crée de tels écarts en termes de ségrégation dans les profils traversant les joints de grains en Figure 111.

Cette étude sur un joint de grains fortement désorienté irradié permet de mettre en évidence un profil en W avec une co-ségrégation du chrome et du carbone. Ces résultats sont en accord avec les auteurs de la littérature ayant travaillés sur la même famille de joint de grains [6,12,17,23,24]. Seul le rapport de Marquis et al. [25] présente des observations de SAT semblables. Un volume de SAT contenant un joint de grains issu d’un alliage Fe-15%Cr irradié aux ions à 300°C (10 dpa) présente une hétérogénéité dans le plan sous la forme de précipité carrés identifiés comme étant des carbures. Dans notre cas, le rapport C/M est de 0,04 ce qui ne permet pas d’identifier clairement les zones enrichies comme des carbures. Cependant, ces zones pourraient être des germes de carbures induit par l’irradiation.

Bilan :

La ségrégation sur un joint de grains fortement désorienté après irradiation a été quantifiée dans cette sous-partie. Les échantillons sont tous issus de l’irradiation présentée au chapitre 2, réalisée à 450°C pour une dose de 2 dpa à 300 nm sous la surface, là où sont prélevés les joints de grains. La structure du joint de grains est la suivante 37°[310](7-4-1)(5.10.2). Les deux volumes analysés en SAT ont permis de mettre en évidence une ségrégation en chrome sous la forme d’un profil en W. Les niveaux de composition moyen en chrome au joint de grains est de 18,74 %at. avec un écart type de 5,12 % at. La mesure de l’excès de Gibbs en chrome témoigne de la différence de ségrégation en chrome entre les deux volumes avec -52,13 at.nm-2 dans le premier cas et 8,09 at.nm -2 dans le seconde cas. Le carbone atteint en moyenne 1,2 % at. sur le joint de grains avec un écart de 0,37 %at. et un excès de Gibbs de 1,4 at.nm-2. De telles variations en chrome dans la quantification des excès de Gibbs peuvent s’expliquer

par la fluctuation d’orientation quantifiée au chapitre 3 entre les deux volumes analysés. Cette variation d’orientation, d’environ 6,7° sur les normales au plan, induit une variation dans la structure du joint de grains. Des hétérogénéités de composition en chrome ont également été observées dans le plan des joints de grains à partir de la reconstruction en trois dimensions des volumes analysés. Plusieurs profils de composition traversant une zone enrichie présente une composition moyenne de (64,7 ± 5,38) %at de chrome et (3,9 ± 0,8) %at de carbone sur le joint de grains. A première vue, il se pourrait que ces objets soient des germes de carbures.