Configurations de dislocations dans un cristal d'aluminium en fonction de la température

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Submitted on 1 Jan 1969

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Configurations de dislocations dans un cristal d’aluminium en fonction de la température

B. Baudelet, G. Champier

To cite this version:

B. Baudelet, G. Champier. Configurations de dislocations dans un cristal d’aluminium en fonction de

la température. Journal de Physique, 1969, 30 (11-12), pp.999-1003. �10.1051/jphys:019690030011-

12099900�. �jpa-00206868�

CONFIGURATIONS DE DISLOCATIONS

DANS

UN

CRISTAL

D’ALUMINIUM EN FONCTION DE LA

TEMPÉRATURE (1)

Par B. BAUDELET et G.

CHAMPIER,

Laboratoire de Physique ^du Solide, E.N.S.M.I.M., Nancy.

(Reçu

^{le 15}

septembre 1969.)

Résumé. - La

topographie

^{aux rayons X montre}

l’apparition d’alignements

^{de boucles}

de dislocations dans les cristaux d’aluminium, initialement sans dislocation, ^refroidis

depuis

345°C à différentes

températures.

^Il semble que ^ces boucles sont émises par des ^{sources de}

Bardeen-Herring.

^{Elles croissent} par élimination ^des lacunes retenues en sursaturation au cours

du refroidissement ; elles évoluent ensuite vers une

configuration

de dislocations

réparties

^au

hasard.

Abstract. ²⁰¹⁴ X-ray

topography

^{shows the} appearance of ^rows of dislocation

loops

ⁱⁿ

aluminium

crystals, initially

dislocation free, ^{cooled from 345°C to different}

temperatures.

Thèse

loops

^{seem to} be emitted from

Bardeen-Herring

^sources.

They

grow

by

the elimination of the vacancies retained under

supersaturation during

^the

cooling ;

^then

they develop

^{into a}

random dislocation

configuration.

1. Introduction. ^- L’observation des dislocations dans les cristaux d’aluminium _par

topographie

^aux

rayons X par transmission a

g6n6ralement

^{ete faite}

jusqu’ici

^{a la}

temperature

^ordinaire

[1-6].

^{Peu d’obser-}

vations ont ete faites a

temperature plus

6lev6e. Nost

et al.

[7-9]

^{ont 6tudi6 sur des}

topographies

^{de section}

1’evolution des dislocations au cours de variations de

temperature

^{entre 218 et 374 °C. Dans un}

precedent

travail

[10],

nous ^avons observe sur une

topographie

de translation une

configuration particuli6re

^{de dislo-}

cations au cours d’une evolution

après

^{une descente}

rapide

^de

temperature depuis

420 °C. Les resultats

rapport6s

^{dans le}

present

^travail concernent 1’evolution des dislocations dans un cristal d’aluminium refroidi

rapidement depuis

^{345 OC}

jusqu’a

^trois

temperatures

differentes.

2.

Dispositif expérimental.

^- Le cristal d’aluminium

a ete

prepare

par la m6thode

d’écrouissage

^{et recuit}

[6].

Ses dimensions sont

respectivement 0,8,

^{5 et 10} mm;

son orientation est

reperee

^{sur la}

projection st6r6ogra- phique

^{de la}

figure

1. La densite de dislocations mesur6e a la

temperature

ordinaire dans le cristal brut de

preparation

^est de l’ordre de 1 000

cm/cm-3. Lorsque

le cristal est chauff6 a 345 °C

pendant plusieurs heures,

FiG. 1. ^-

Projection stéréographique repr6sentant

^l’orien- tation, par

rapport

^{a la normale N a la} face du cristal 6tudi6, des axes

cristallographiques principaux,

^{et les}

plans (111)

^et

(111)

^sur

lesquels glissent

les boucles situ6es initialement dans un

plan (110).

la densite de dislocations diminue et devient

6gale

^à

quelques

dizaines de dislocations _par centimetre carr6

( fig. 2).

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:019690030011-12099900

1000

FIG. 2. ^-

Topogramme (111)

du monocristal d’aluminium

apr6s

^{5 heures de maintien a} 345°C. Les taches blan- ches sont dues à des

particules d’oxyde

^{de cuivre}

d6pos6es

^{au cours du}

chauffage

^{sur les fenetres de}

beryllium

^{du four}

(X25).

FIG. 3. ^-

Cycles thermiques

^{realises sur} le monocristal d’aluminium.

Cycle

1 : maintien a 345°C; refroidis- sement

jusqu’a

^{182 °C a la vitesse de} 400 °C par heure ; maintien a 182 °C

pendant

^{48 heures.}

Cycle

^{2 : main-}

tien a 345°C; refroidissement

jusqu’a

^{212 °C a la}

vitesse de 400 °C par heure ; maintien a 212°C pen- dant 24 heures ; ^{montee lente a} 25 °C par heure

jusqu’a

^{285°C; maintien a 285°C}

pendant

^{72 heures.}

Cycle

^{3 : maintien a} 345°C; refroidissement

jus- qu’a

260 °C a la vitesse de 400 °C par heure ; ^maintien a 260°C

pendant

^{24 heures.}

Les différentes variations de

temperature auxquelles

le cristal a ete soumis sont sch6matis6es a la

figure

^3.

Le cristal est 6tudi6 _par

topographie

^aux rayons ^X par transmission

(Lang [11]).

^Un four monte sur la chambre

permet

^{de faire} varier la

temperature

^du

cristal

depuis

^la

temperature ordinaire jusqu’a

^{450 OC.}

La

géométrie

de 1’ensemble du montage ^ne permet l’observation _{que pour} une seule reflexion s6lective.

Nous avons utilise la reflexion

(111)

^{avec le} rayonne- ment

Ka1,

^du

molybd6ne.

Afin de suivre 1’evolution des

dislocations,

^{soit a}

temperature

constante, soit ^au

cours de variations de la

temperature,

^en fonction du

temps,

le cristal et la

plaque photographique

^sont

translates d’un mouvement lent a la vitesse de 1 mm

par heure sans retour; ^{il est} ainsi

possible d’indiquer

sur les

topogrammes

^{une abscisse} temps ^et

temperature.

Les dislocations

mobiles

dont la vitesse de

d6place-

ment est

plus grande

que la vitesse de translation du cristal ne donnent pas

d’image

^{sur la}

plaque photo- graphique

^{et celles}

qui

^se

d6placent

^{avec une vitesse}

comparable apparaissent

^floues.

3. Rdsultats

expérimentaux.

^- Pendant la descente de

temperature,

^{au cours du}

cycle 1,

nous avons

observe

I’apparition

^et la croissance

d’alignements

^de

boucles coaxiales. Ils ont pour

direction 110 >,

^le

vecteur de

Burgers

des boucles est

parall6le

^{a la direc-}

tion de leur axe. Le

long

^d’une

ligne,

le diametre des boucles ^et la distance entre boucles ^sont

pratiquement

constants. Pour une meme

direction

¹¹⁰

>,

^{le dia-}

metre semble d’autant

plus grand

que

1’alignement

^est

plus long

^et que ^cet

alignement

^est apparu a ^une

temp6-

rature

plus

^{6lev6e au cours} du refroidissement : il peut atteindre 200

microns, 1’alignement

de boucles

peut

s’étendre d’une face a 1’autre du cristal. La distance

entre boucles varie d’une

ligne a

1’autre de 20 a 50 ^mi-

crons. La

longueur

^des

rang6es

^de boucles dans les six

directions 110 >

^est environ 1 000

cm/cm-3.

^{Le calcul}

montre que le nombre de lacunes n6cessaires a la croissance des boucles observ6es ^est du meme ordre de

grandeur

que la difference des concentrations de lacunes a

1’equilibre thermodynamique

^{a la}

temperature

^ini-

tiale et a la

temperature

^finale.

W G. 4. ^- Boucles de dislocations vues par la tranche

(a)

et boucles de dislocations inclinees par

deplacement

sur leur

cylindre

^de

glissement (b)

observ6es dans le cristal d’aluminium maintenu 5 et 40 heures a 182 °C.

Topogramme (111) (X35).

Au cours du maintien a 182

OC,

^la

configuration

^des

alignements

de boucles 6volue _{tres peu} en 48 heures : les boucles

qui

^6taient

perpendiculaires

^a la direction de leur

alignement ( fig.

⁴

a)

^{tendent a} s’incliner _par

deplacement

^{sur leur}

cylindre

^de

glissement ( f ig.

⁴

b).

Pendant la descente de

temperature,

^{au cours du}

cycle 2,

nous avons obtenu la meme

configuration d’alignements

de boucles coaxiales _que celle observ6e

precedemment;

^les

alignements

^{sont en meme}

position,

leur

longueur,

^leur

densite,

le diametre des boucles et

la distance entre boucles 6tant sensiblement

69aux.

^Le

topogramme ^{obtenu au d6but de ce}

cycle

^est

reproduit

a la

figure

^5.

Au cours du maintien a 212 OC

pendant

²⁴

heures,

la

configuration

^des

alignements

de boucles de dislo- cations 6volue de

façon plus marquee :

1’inclinaison des boucles est

plus importante

^et les interactions entre

FIG. 5. ^-

Topogramme (111)

^du cristal d’aluminium refroidi de 345°C

jusqu’a

^{212°C a} 400°C par heure et maintenu a 212°C

(X25).

boucles inclin6es et entre boucles

d’alignements

^voisins

conduisent a des

lignes

de dislocations

grossierement hélicoidales fig.

^{6 a et 6}

b).

FIG. 6. ^- Boucles de dislocations inclin6es

(a)

^et

lignes

de dislocation

grossierement

helicoidales

(b)

^observ6es

dans un cristal d’aluminium maintenu 10 et 16 heures a 212°C.

Topogramme (111) (X35).

Au cours de la montee en

temperature

^{de 212 °C}

a 285

OC, puis

^{au cours} du maintien a cette

temp6ra- ture, l’evolution

^{de la}

configuration

^est acc6l6r6e : les

lignes

^de dislocations

grossierement

h6licoldales s’6ta- lent et s’enchevetrent en donnant un reseau dense

( fig. 7);

les dislocations continuent a se

d6placer, interagissent

^{entre elles et certaines}

disparaissent

^{a la}

surface. La densite des dislocations d6croit et elle n’est

plus

que de 1 000

cm/cm-3

^au bout de 90 heures.

A 212

OC,

nous avons pu suivre 1’evolution de boucles

align6es

dans la direction

[110] :

^elles

passent

^du

plan (110)

^au

plan (101)

^{et dans} ce nouveau

plan,

deux cotes sont

paralleles

^a la direction

[121]

^{et les}

deux autres ont une direction voisine de

[111] ( fig.

⁶

a).

11 semble _que les _grosses boucles observ6es a la

temp6-

rature ordinaire _par Fremiot et al.

[6]

dans des cristaux d’aluminium

proviennent

d’une evolution du meme

type.

Les

topogrammes

^{obtenus au cours du}

cycle

^{3 ont}

la meme allure _que ceux realises a 285 °C : la

temp6-

rature

finale,

²⁶⁰

OC,

^est suffisamment 6lev6e _pour donner lieu a une evolution

rapide

^des

configurations

de dislocations.

Cette evolution confirme ce que ^{nous avons} observe a 345 OC : la densite des dislocations diminue

lorsque

^le

cristal ^est chauff6 a

temperature

^6lev6e

pendant plu-

sieurs heures

( fig. 2).

4. Discussion. ^- Les resultats

expérimentaux pr6-

cedents

peuvent

^etre

compris

^{de la}

façon

^{suivante :}

au cours du

refroidissement,

^des sources non identi- fi6es 6mettent des boucles

prismatiques align6es

^dans

les

directions

¹¹⁰

>.

Ces boucles

grossissent

^{sous 1’effet}

de la sursaturation de

lacunes;

leur diametre final est

d’autant

plus grand

^{et il est} atteint d’autant

plus rapi-

1002

FIG. 7. ^-

Topogrammes (111)

^du cristal d’aluminium maintenu a 285°C:

(a)

28 heures environ

apr6s

^le

d6but du

cycle

2,

(b)

environ 90 heures

(X25).

dement _que

1’alignement

^est apparu ^{a une}

temp6ra-

ture

plus

^{6lev6e. A}

temperature

^constante

( fig.

^{4 et}

6),

les boucles

align6es

^se

d6placent

^{d’abord sur leur}

cylindre

^de

glissement puis,

par

montée,

^certaines

tendent vers la

configuration

^des grosses boucles dans

un

plan

^du

type {110},

^a 300 de la direction de leur vecteur de

Burgers,

^cette montee reduit la lon- gueur de dislocations des boucles et, par

consequent,

leur

energie;

^{elles ont} deux cotes

opposes paralleles

^à

l’une des deux

directions 112 >

^{de leur}

plan;

^ces

directions sont

plac6es

^a 1’intersection de ce

plan

^avec

les deux

plans {111} qui

^{leur sont}

perpendiculaires.

Enfin,

par

interaction,

^ces boucles tendent vers une

configuration

^de

lignes

de dislocations distribuées au

hasard de densite d6croissante. Cette evolution est

d’autant

plus rapide

que le cristal est maintenu a une

temperature plus

^6lev6e.

Deux

interpretations

^{ont ete donn6es sur}

l’origine

des

alignements

de boucles : Authier et al.

[3]

^ont

sugg6r6

que ^ces

alignements

r6sultaient de la montee

en h6lice de dislocations-vis au cours du refroidisse- ment ; Nost ei al.

[9]

^ont

propose

que

chaque aligne-

ment de boucles

provenait

de la montee en helices des

parties

vis d’une boucle de

glissement

ancr6e suivant le m6canisme decrit _par Amelinckx et Bontinck

[12].

Nos resultats

expérimentaux

^semblent infirmer la _pre- miere

hypothèse :

^les

alignements

de boucles ne tra- versent pas ^tout le cristal et ils sont en meme

position apr6s

les differentes descentes en

temperature.

^L’an-

crage

suppose

par

[9]

n’est certainement pas suffisant pour

expliquer

^nos

observations,

^{a savoir} que les ali- gnements ^sont

toujours

^{en meme}

position

^et que les dislocations se d6sancrent facilement

quand

^la

temp6-

rature augmente.

Au cours des

refroidissements,

^des

microprécipités intermétalliques

^ou

r6fractaires,

6ventuellement

pre-

sents dans la

matrice, pourraient

^{etre a}

l’origine

^des

boucles

align6es,

^{mais il devrait}

s’agir

alors de boucles d’interstitiels

[13],

^car les coefficients de dilatation de 1’aluminium sont

sup6rieurs

^{a ceux de ces}

micropr6- cipites;

les boucles _que nous avons obtenues sont de

type

^{lacunaire car} elles croissent en

presence

^{d’une sur-}

saturation de lacunes.

La montee des dislocations ancr6es a l’interface

matrice-précipité

par le m6canisme

propose

par Bar-

deen-Herring [14] permettrait

^{de rendre}

compte

^des

caractéristiques

des boucles obtenues. Ce m6canisme

a ete

6galement

^retenu par

Embury

^{et Nicholson}

[15]

qui

^{ont observe} par

microscopie 6lectronique

par

transmission, apr6s

refroidissement d’un

alliage

^d’alu-

minium,

^des

alignements

de boucles de lacunes sem-

blables a celles _que nous avons

obtenues,

leur diam6tre

est environ 300 fois

plus petit

^et leurs cotes sont bien

parall6les

^aux

directions

¹¹²

>.

La croissance des boucles des

alignements

^est pro- duite _par

l’absorption

^{des lacunes en} sursaturation

retenues au cours du

refroidissement,

les seuls

puits

de lacunes 6tant en effet la surface ext6rieure ^et les boucles. Pour

rejoindre

la surface

ext6rieure,

les lacunes doivent effectuer en moyenne

ns,

^sauts

(Blandin

^et

Friedel

[16]) :

Z est le nombre de

coordinance;

a, le

parametre

^cris-

tallin,

^et e,

1’6paisseur

du cristal. Pour

rejoindre

^les

boucles,

^{le nombre} moyen

n b

^{de sauts} n6cessaires est

difficile a

calculer;

^{on en obtient une valeur}

approchee

en consid6rant les

alignements

^{comme des}

cylindres,

de meme

longueur N, paralleles

^{entre eux,}

r6partis

uniformément dans le

cristal,

^{’ R2}

= 1,

N ^{et de rayon} y ^r

6gal

^au rayon des

boucles;

^{le nombre} moyen de

sauts nb

est alors donne _par la relation

[16] :

La valeur de N conduit a un nombre de ^sauts

n b

pour

rejoindre

les boucles inf6rieur au nombre

ns

pour

rejoindre

la surface. Au cours du

refroidissement, juste

avant la formation des

boucles,

le nombre de sauts n

effectu6s par les lacunes ^{est au}

plus 6gal

^{a 5 X}

1011, 1’6nergie

^de

migration

^6tant

prise 6gale

^a

0,58

^eV

(Wintenberger [17]);

^la

comparaison

du nombre n et

du nombre

n s

^montre que la

plupart

des lacunes ne

rejoignent

pas la surface ext6rieure. Ceci est confirm6 par le fait _que la

quantite

de lacunes n6cessaires a la croissance des boucles observ6es est du meme ordre de

grandeur

que la difference de concentration de lacunes entre les

temperatures

^{initiale et} finale. Les boucles sont d’autant

plus grandes

^et elles croissent d’autant

plus rapidement qu’elles

^sont apparues ^{a une}

temperature plus ^6lev6e,

^{dans un domaine}

thermique

ou les lacunes ^sont

plus

^mobiles.

La

temperature

^6lev6e

permet

^aux dislocations de

se d6sancrer facilement sous 1’action de contraintes locales dues aux effets de surface ou aux autres disloca- tions. Elles

glissent

^et montent, finissent par ^rencontrer la surface ext6rieure et

disparaissent.

5. Conclusion. ^- Au cours de trois descentes de

temperature depuis

³⁴⁵

OC,

nous avons montre _que, dans un cristal d’aluminium initialement sans disloca-

tions,

^des

alignements

de boucles

apparaissent

^{et crois-}

sent. Ils

proviennent

^{de sources fixes} situ6es dans le volume du cristal. La sursaturation de lacunes au cours

du refroidissement fait croitre ces

boucles, lesquelles

6voluent et tendent vers une

configuration

^{de disloca-}

tions distribuées au hasard de densite d6croissante au cours du

temps.

^Les dislocations observ6es a la

temp6-

rature ambiante

apr6s

le recuit de

preparation

^ont

pour

origine

^{le meme}

m6canisme,

^les

grandes

^boucles

et les dislocations distribuées au hasard ayant ^une

configuration identique

^{a celle} que nous avons obtenue

au cours du maintien a

temperature

^constante

après

un refroidissement.

BIBLIOGRAPHIE

[1]

^LANG

(A. R.)

^{et MEYRICK}

(G.),

^Phil.

Mag.,

1959, 4, 878.

[2]

^BASU

(B. K.)

^{et ELBAUM}

(C.),

^Phil.

Mag.,

^{1964, 9,}

553.

[3]

^AUTHIER

(A.),

^ROGERS

(C. B.)

^{et LANG}

(A. R.),

Phil.

Mag.,

1965, 12, 547.

[4]

^NØST

(B.),

^Phil. Mag., 1965, 11, ^183.

[5]

^NES

(E.)

^{et NØST}

(B.),

^Phil.

Mag.,

1966, 13, ^855.

[6]

^FREMIOT

(M.)

^{et CHAMPIER}

(G.),

C. R. Acad. Sci., 1967, 265, 1331.

[7]

^NØST

(B.)

^{et SØRENSEN}

(G.),

^Phil.

Mag.,

^{1966, 13,}

1075.

[8]

^LOHNE

(O.)

^{et NØST}

(B.),

^Phil. Mag., ^{1967, 16, 341.}

[9]

^NØST

(B.),

^SØRENSEN

(G.)

^{et NES}

(E.), J.

Cryst.

Growth, 1967, 1, ^149.

[10]

^BAUDELET

(B.)

^{et CHAMPIER}

(G.),

C. R. Acad. Sci., 1969, 268, 1194.

[11]

^LANG

(A. R.),

^Acta Cryst., 1959, 12, 249.

[12]

^AMELINCKX

(S.)

^{et BONTINCK}

(W.),

^Acta Met., 1957, 5, 345.

[13]

^BERTOCCI

(U.),

^BERTOCCI

(C.)

^{et YOUNG}

Jr (F. W.), J. Appl.

Phys., 1969, 40, 1674.

[14]

^BARDEEN

(J.)

^{et HERRING}

(C.), « Imperfections

ⁱⁿ

nearly perfect crystals

^»,

Wiley,

^New York, 1952, 261.

[15]

^EMBURY

(J. D.)

^{et NICHOLSON}

(R. B.),

^Acta Met., 1963, 11, 347.

[16]

^BLANDIN

(A.)

^{et FRIEDEL}

(J.),

^Acta Met., 1960, 8, 384.

[17]

WINTENBERGER

(M.),

Thèse, Université de Paris, 1958.