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Submitted on 1 Jan 1964
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Études isochrones du cuivre trempé en atmosphère d’hydrogène
Claude Budin, Annie Lucasson, Pierre Lucasson
To cite this version:
Claude Budin, Annie Lucasson, Pierre Lucasson. Études isochrones du cuivre trempé en atmosphère d’hydrogène. Journal de Physique, 1964, 25 (7), pp.751-756. �10.1051/jphys:01964002507075100�.
�jpa-00205866�
ÉTUDES ISOCHRONES DU CUIVRE TREMPÉ EN ATMOSPHÈRE D’HYDROGÈNE
Par CLAUDE BUDIN, ANNIE LUCASSON et PIERRE LUCASSON,
Laboratoire de Chimie Physique, Faculté des Sciences de Paris, Section d’Orsay.
Résumé.
2014Après avoir trempé des échantillons de cuivre
sousatmosphère d’hydrogène nous
avons
étudié la restauration de leur résistivité électrique initiale à l’aide de recuits isochrones faits dans des conditions différentes. Si après chaque recuit l’échantillon est trempé rapidement à la température de l’azote liquide (à laquelle
sefont les mesures), une augmentation de la résistivité
électrique
semanifeste entre 2014 100 °C et
201460 °C. Cette augmentation ne
seproduit pas si l’on refroidit progressivement l’échantillon jusqu’à la température de mesure.
Ce phénomène estindépendant de l’atmosphère qui entoure les échantillons pendant les recuits.
Nous l’attribuons
auxinteractions des atomes d’hydrogène (mobiles) avec les lacunes.
Abstract.
2014Isochronal annealing experiments have been performed
onquenched pure copper,
using different annealing techniques. If the specimen is brought rapidly from the temperature
of anneal to liquid nitrogen temperature (for measurements),
onenotices
aresistivity increase
between 2014 100 °C and
201460 °C. This increase does not happen if the cooling rate is sufficiently
low. In
caseof
alow cooling rate it happens if the specimen is surrounded by
ahelium atmosphere as well
asby
ahydrogen atmosphere. This phenomenon seems to be due to hydrogen vacancies
interactions.
PHYSIQUE 25, 1964,
Introduction.
-Lorsqu’on a fait subir une
trempe a un echantillon de cuivre plonge dans une atmosphere d’hydrogene, des recuits isochrones,
effectues a temperatures croissantes, montrent que la r6sistivit6 electrique de l’échantillon revient a sa
valeur d’avant trempe en deux 6tapes. La premiere
de ces 6tapes est situ6e aux environs de - 100 OC et la seconde, au voisinage de la temperature ordi-
naire. Des mesures ’d’énergie d’activation avaient conduit Lucasson et al. [1] a les attribuer respec- tivement a la migration d’hydrogene dissous et a la migration et la disparition de d6lauts lacunaires.
Dans ce qui suit, nous 6tudions quelques mani-
festations de la mobilit6 et de la solubilite de ces
def auts ponctuels en eff ectuant, sur un meme
echantillon et toutes choses 6tant identiques par
ailleurs, des series d’experiences qui ne different
de la pr6c6dente que par la variation d’un para- m6tre.
Conditions exp6rimentale.
-Tous nos échan-
tillons proviennent d’une meme bobine de fil de cuivre Johnson Mattheys, spectroscopiquement
pur. Les dispositifs et les techniques utilises pour
les trempes et les mesures 6tant analogues a ceux
d’un travail precedent [1], nous ne parlerons ici
que des points particuliers a la pr6sente 6tude. Les
6chantillons sont places dans une enceinte de verre ou m6tallique, f ermee selon le cas par un rodage ou
par un couvercle à joint m6tallique, remplie d’hy- drbg6ne et immerg6e dans 1’azote liquide. La figure 1 donne une vue sch6matique d’une de nos
enceintes expérimentales, comportant un échan-
tillon dispose en zig-zags, d’une longueur totale
de 20 cm, dans une ampoule de verre. Les supports
des fils conducteurs n’ont pas ete repr6sent6s. Des
6chantillons de formes différentes (circulaire, recti- ligne) ont aussi ete utilises.
Pendant toute la duree des experiences
-qui
FIG. 1.
-Échantillons dans une enceinte de verre immer-
g6e dans l’azote liquide.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01964002507075100
752
peut atteindre plusieurs semaines -1’enceinte reste
immerg6e dans l’azote liquide. Toutes les mesures se font a temperature de 1’azote liquide. Le chauf- fage de .l’échantillon, soit pour les trempes, soit
pour les recuits, se fait par passage de courant continu. Sa temperature est contr6l6e par mesure
potentiométrique de sa resistance electrique. Cette
mesure donne donc la temperature moyenne de 1’echantillon. Du fait de l’immersion dans 1’azote
liquide, les parois de 1’enceinte exp6rimentale
restent toujours a basse temperature pendant les
recuits.
Avant toute experience, chaque echantillon a
subi un recuit de 4 heures a 600°C dans 1’hydro- gene. Apres ce recuit le rapport des resistances des 6chantillons a temperature ordinaire et a temp6-
rature de I’h6lium liquide est voisin de 200. (II
varie entre 180 et 250 selon 1’echantillon.)
Les trem,pes sont r6alis6es par coupure brusque
du courant de chauffage. Les vitesses de trempe calcul6es a partir de la puissance n6cessaire pour maintenir la temperature constante sont voisines
de 20 000 OC/s. Les enregistrements a l’oscillo- graphe cathodique donnent 20 a 22 000 °C/s en bon
accord avec les vitesses de trempe calcul6es.
a) MESURES ELECTR1QUES.
-Les mesures de
resistance sont faites a la temperature de 1’azote liquide par une m6thode potentiométrique. Deux
6chantillons presque identiques, de resistances .R1
et R2 sont places cote a cote dans l’enceinte experi-
mentale. Le premier subit trempes et recuits, le
second sert de reference. A la temperature de
l’azote liquide, les variations de la resistance du
premier sont 6gales aux variations de la diff erence 3R
=R1- R2, puisque R2 est constant avec la temperature. Mais en fait, la temperature n’est pas
constante, car les echantillons sont refroidis princi- palement par conductibilite et convection du gaz contenu dans 1’enceinte plong6e dans 1’azote liquide (fig. 1). Elle subit, de ce fait des fluctuations qui,
dans nos appareils, se manifestent de façon errh- tique, avec une amplitude qui peut atteindre 0,01 OC en des temps de l’ordre de la minute- Nous observons 6galement une derive plus lente de la temperature, correspondant a un echauffement d’environ 0,1 °C par 24 heures. Or, les coefficients de temperature ocl et oc2 de R1 et R2 sont voisins,
mais non identiques, ce qui limite dans nos appa- reils la precision des mesures + 10-11 Q cm
environ. Nous 1’avons am6lior6e par l’introduction d’iin terme correctif C(A) obtenu de la f acon sui-
vante : nous prenons pour references un couple de
valeurs R1 et R2o d6termin6es avant Inexperience.
Si une fluctuation de temperature AT se produit
elle entraine une variation de la resistance de r6f6- rence, 3R2 - R2(ð. T) - R0g. On rnesure Rz(A7°) apres chaque recuit d’ou 8R2, dont on d6duit als6- ment la variation correspondante de la resistance
etudiee :
Compte tenu de ce terme correctif, les erreurs
sur les mesures sont inférieures a 5 X 10-12 Qcm.
b) DEFINITION DE LA TEMPERATURE DE L’ÉCHAN-
TILLON.
-La technique de chauffage par passage de courant electrique que nous adoptons dans ces experiences est particulierement commode a utili-
ser lorsque des mesures 6lectriques sont faites sur
1’echantillon. Cette f acilite de mise en oeuvre, jointe
a la possibilite de r6aliser de grandes vitesses de
trempe fait qu’elle a pratiquement toujours 6t6 employee a la suite des travaux de Koehler et ses
collaborateurs [2] pour 6tudier par trempe et
mesures de r6sistivit6 les energies de formation de def auts ponctuels.
Pour 6tudier les energies de mouvement des
def auts ponctuels, les expérimentateurs ont en general préféré utiliser des proc6d6s de chauffage plus classiques, tels que les bains d’huile, qui assu-
rent en principe une meilleure unif ormite de la
temperature. Nous signalons ici les points suivants :
1° La mesure de la resistance electrique donne
une temperature moyenne T des echantiuons, alors
que l’utilisation d’un bain chauffant permettrait
de parler de temperature vraie T.
2° A l’aide d’hypotheses tres simples sur la repartition des temperatures il est possible de prevoir que la difference AT
=T - T dans nos
experiences, est faible et de l’ordre de quelques degr6s.
3° Ces prévisions sont confirmees aussi bien par les resultats obtenus par Cuddy et Machlin [3]
pour 1’6nergie, de mouvement des bilacunes dans 1’argent, que par nos propres experiences faites
avec des 6chantillons de cuivre de formes et de
caractéristiques tres différentes (leur longueur
variait entre 6 cm et 20 cm pour un diam6tre de
0,1 mm et le diametre des prises de tension etait soit de 0,1 mm, soit de 0,2 mm).
Au surplus dans ce qui suit, ce sont les variations de temperature plutot que les temperatures elles memes, qui importent. Aussi, confondons nous T et T, nous r6servant de discuter ce probleme par ailleurs.
R6sultats. -- Avec chacun des echantillons nous avons realise successivement quatre
«cycles»
presque identiques de trempe en atmosphere d’hydrogene suivie de recuits isochrones. D’une
experience a l’autre, nous nous sommes attaches à
ne faire varier qu’un parametre a la fois. Ainsi,
dans 1’exemple ci-dessous, les quatre trempes ont
ete effeetu6es a partir de 700 OC environ. Elles ont
donne des augmentations de resistance electrique
6gales h ± 4 % pres. Les recuits isochrones 6taient
753
identiques quant a ]a dur6e, de cinq minutes, d’une part, et quant aux intervalles de temperature
d’autre part : ils 6taient etages de 15° en 15° entre
-140 °C et + 200 °C.
La premiere isochrone a ete obtenue en effec-
tuant les recuits dans 1’atmosphere d’hydrogene ou
avait ete provoqu6e la trempe initiale. A la fin du
recuit, le courant de chauffage de l’échanti]lon etait
brusquement coup6 a 1’aide de l’interrupteur du dispositif de trempe. Le refroidissement jusqu’a la temperature de I’azote liquide etait donc tres
rapide. Le diagramme de la figure 2 montre l’iso-
FIG. 2.
-Isochrone obtenue apres trempe
soushydrogene
d’un 6chantillon de 720°C jusqu’a la temperature de
1’azote liquide. Chaque point correspond a
unrecuit de
5 minutes a la temperature indiqu6e dans une atmo- sph6re d’hydrogène, suivi d’un refroidissement rapide jusqu’a la temperature de 1’azote liquide. Les isochrones
des figures 2, 3, 5 et 6 ont 6t6 obtenues avec le meme 6chantillon.
chrone obtenue. Une premiere 6tape de restau-
ration de la r6sistivit6 electrique, correspondant
a une migration d’atomes d’hydrogene est centr6e
autour de
--110°C. Elle est suivie d’une
augmentation de r6sistivit6 ,qui se produit
entre - 100°C et
-60°C. La seconde
-et prin- cipale
-6tape de recuit, attribuee par nous a la
migration de def auts lacunaires, commence vers
-
20°C et s’6tend jusqu’a + 100 oC. Elle est
centr6e autour de + 35 °C.
Pour obtenir la seconde isochrone, nous avons
encore conserve 1’atmosphere d’hydroge’ne de la
trempe initiale, mais, au lieu de couper brutalement
le courant de chauff age, nous avons graduelle-
ment abaiss6 celui-ci a 1’aide d’un rh6ostat. L’iso-
chrone correspondante est repr6sent6e,sur la figure3.
FIG. 3.
-Isochrone obtenue apres trempe de 727 °C jusqu’a la temperature de l’azote liquide
sousatmosphere d’hydrog6ne. Chaque point correspond a
unrecuit de cinq minutes
sousatmosphere d’hydrog6ne, suivi d’un refroidissement lent de la température- indiqu6e jusqu’a
1’azote liquide.
Elle montre ]’existence des deux 6tapes principales
de disparition de la r6sistivit6 electrique due a ]a trempe signal6s pr6c6demment, mais l’ augmen-
tation de r6sistivit6 qui se manif estait entre - 100°C et
-60 °C dans 1’experience prec6dente
a disparu (1). Or, en trempant le meme echantillon,
sous une atmosphere d’helium [4] au lieu d’hydro-
g6ne, et en traçant des isochrones, nous avons
constate que ni la premiere 6tape de recuit, ni la
remont6e de r6sistivit6 consecutive, ne se pro- duisent. Nous voyons la une confirmation de notre idee que la premiere 6tape correspond a ]a migra-
tion et a la disparition d’hydrogene dissous, et que la remontee indique une redissolution d’hydrog6ne.
(1) L’apparition ou la disparition de la
«bosse » de l’isochrone comprise entre -100 °C et
-20 °C
nedepend
que de la vitesse du refroidissement apres recuit. En effet,
si apres
unetrempe dans 1’hydrogene
nouseffectuons
unrecuit a
-60 °C par exemple,
enrefroidissant lentement,
nous
obtiendrons
unevaleur de AR JARO correspondant au point A. Faisons alors
un nouveaurecuit à
-60 °C pt
coupons brusquement le courant de chauffage., La valeur
de AR/ARO mesur6e apres cette operation correspond a
unpoint B situe
audessus de A (fig. 4).
754
Cet hydrog6ne qui se redissout pouvait, soit pro-
venir du gaz qui entourait l’echantillon soit pro- venir de la liberation du gaz pi6g6 pendant la premiere etape, a l’int6rieur du m6tal.
FIG. 4.
-Entre - 100°C et 0 OC la forme de l’isochrone
depend essentiellement de la vitesse du refroidissement
apres le recuit. Un premier recuit, suivi d’un refroidis- sement lent conduit
aupoint A. Si l’on fait alors
unsecond recuit a la meme temperature, suivi d’un refroi- dissement brusque jusqu’a la temperature de l’azote liquide,
onobtient le point B, au-dessus de A.
FIG. 5.
-Isochrone obtenue apres trempe de 735 °C a la temperature de 1’azote liquide
enatmosphere d’hydro- g6ne. Les recuits ont ete faits
sousatmosphere d’ hélium purifi6. Chaque point correspond a
unrecuit de cinq
minutes a la temperature indiqu6e, suivi d’un refroidis- sement rapide jusqu’a l’azote liquide.
Une troisieme trempe en atmosphere d’hy- drog6ne permet d’61ucider ce point. Nous avons apres la trempe pomp6 I’hydrog6ne de 1’en-
ceinte expérimentale et I’avons remplace par de I’h6lium avant d’effectuer des recuits isochrones à la fin desquels le refroidissement jusqu’a la temp6-
rature de 1’azote liquide se faisait par coupure
brusque du courant de chauffage. Le diagramme 5
montre les resultats obtenus. La courbe est presque
superposable a la courbe 2. En particulier, les points expérimentaux obtenus entre - 100°C et
-60°C
sont presque confondus. L’hydrogene qui se redis-
sout a donc une origine interne, pour la plus grande part.
FIG. 6.
-Isochrone obtenue apres trempe de 750°C a la temperature de 1’azote liquide,
enatmosphere d’hydro g6ne. Les recuits ont ete faits
sousatmosphere d’hélium purifi6. Chaque point correspond a
unrecuit de cinq
minutes a la temperature indiqu6e suivi d’un refroidis- sement lent jusqu’a l’azote liquide.
Cependant lorsque la temperature est sup6rieure
a
-40 OC, la nouvelle isochrone se trouve lege-
rement au-dessous de l’ancienne. Nous attribuons
ce d6calage a une desorption lente de l’hydrogene
a la surface de 1’echantillon, desorption qui n’est plus compens6e par la redissolution en surface
lorsque l’échantillon est plonge dans I’h6lium.
Enfin, nous avons trempe une quatrieme fois I’échantillon, sous atmosphere d’hydrogene. Nous
avons ensuite pomp6 l’hydrogene hors de 1’en-
ceinte exp6rimentale l’avons remplace par de
755 I’h6lium, et avons fait des recuits isochrones ter-
min6s par une descente lente en temperature. Les
resultats obtenus sont repr6sent6s par la courbe 6, qui pendant toute la deuxieme 6tape du recuit, se
trouve au-dessous de la courbe 5.
FIG. 7.
-Isochrones obtenues
avec unmeme echantillon
en
atmosphere d’hydrogene apres trempes de 450 °C et 500 °C respectivement jusqu’a la temperature de 1’azote liquide. Chaque recuit, d’une duree de dix minutes etait suivi d’un refroidissement rapide jusqu’a 1’azote liquide.
On constate qu’il existe
unmaximum de la resistance
electrique pres de - 140°C. Ce maximum diminue
beaucoup quand la temperature de trempe passe de 450 °C a 500 °C. I1 vient probablement d’interactions de
I’hydrog6ne dissous
aveccertaines impuret6s.
o Trempe de 450 °C,
p Trempe de 500 °C.
Nous avons répété ces experiences dans un ordre quelconque, avec des 6chantillons diff6rents, trem- p6s a partir de temperatures comprises entre 450 OC
et 750oC. Pour des trempes a partir de temperatures
inférieures ou 6gales a 500 OC, nous avons note I’apparition de tres petits changements ( 2) dans la partie des isochrones inférieure a - 100 OC, mais
1’allure généraJe des courbes et de leurs modifi- cations restait conforme a la description qui pr6-
cede (fig. 7). Pour des trempes de temperatures
(2) On peut remarquer qu’aux temperatures inf6rieures a 500 °C les concentrations
enhydrog6ne dissous a l’équi-
libre thermodynamique sont de l’ordre de 10-6. Elles sont alors inf6rieures
auxconcentrations
enimpureté du metal (environ 10-5). Les interactions hydrog6ne
-impuret6s
doivent pouvoir
semanifester dans le metal trempe de fagon particulierement nette dans
cesconditions.
supérieures A 500 oc, les r6sultats obtenus ont 6t6 identiques en tous points A cette description (fig. 8).
FIG. 8.
-Isochrone obtenue
enatmosphere d’hydrog6ne
par trempe a partir de 540°C. Chaque recuit, de cinq
minutes 4 la temperature indiqu6e etait suivi d’un refroidissement rapide. Le maximum a - 140°C n’est
plus d6celable et la courbe a,
auxtemperatures inf6-
rieures a 0 OC, la meme forme que celles obtenues apres trempes de temperatures sup6rieures a 500 °C.
Discussion.
-Les trois points suivants nous paraissent particulièrement int6ressants pour la
comprehension des. ph6nom6nes :
10 Dans les isochrones obtenus par refroidis-
sement brusque apres chaque recuit, on a, à
quelques pour cent pres : Ap(- 40 °C) Apo ou Ap(- 40 °C) est ce qui reste, apres recuit à - 40 °C,
de 1’augmentation Apo de r6sistivit6 due a la trempe.
2° Les isochrones du cuivre trempe en atmo- sph6re d’helium montrent que la restauration de la r6sistivit6 electrique initiale s’effectue en une seule
6tape [4] exactement dans le domaine d6 temp6-
rature de 1’6tape II du cuivre trempe en atmo- sph6re d’hydrogene. Ce fait nous incline a penser
qu’un meme def aut, de nature lacunaire, disparait
dans les deux cas. Dans le cas du cuivre trempe en atmosphere d’hydrogene, il faut alors bien admettre que les lacunes entrainent avec elles tout l’hydro- g6ne dissous.
30 Nous avions signal6 dans un travail ant6rieur,
- et nous l’avons verifie a 1’occasion de ce travail
756
-
que les valeurs trouv6es pour Apo en fonction
de la temperature de trempe 6taient en accord
avec les hypotheses suivantes :
- la r6sistivit6 PL d’une lacune est a peu pres 6gale a la r6sistivit6 pn d’un atome d’hydrogene dissous ;
-
les concentrations en hydrogene, CH, et en lacunes, CL sont donn6es dans le cuivre par les relations propos6es par Eichenauer et Pebler [5] et
Simmons et Balluffi [6] respectivement ;
-
l’augmentation de r6sistivit6 APo due a la trempe s’obtient alors par la somme
Cette additivit6 semble bien impliquer que
chaque atome d’hydrogene et chaque lacune dif- fuse s6par6ment les electrons de conductibilite.
Cela ne serait pas possible si ces def auts r6ticulaires 6taient agglom6r6s d’une façon ou d’une autre. On
est alors amen6 aux conclusions suivantes, compte
tenu que Apo - Ap(- 40 °C) : a
-40 OC, presque tous les atomes d’hydrogene trempes dans le metal
s’y trouvent encore. Ces atomes d’hydrogene accompagnent les lacunes dans leur mouvement mais restent s6par6s des lacunes et s6par6s les uns
des autres. Ils seraient donc pieges dans certains sites interstitiels voisins de la lacune.
Conclusion.
-L’augmentation de la r6sistivit6
electrique due a une trempe du cuivre en atmo- sph6re d’hydrogene disparait en deux 6tapes prin- cipales. La premiere, centr6e autour de - 120 OC, correspond au mouvement d’atomes d’hydrogene dissous, tandis que la seconde, centr6e au voisinage
de 40°C, correspond au mouvement de def auts lacunaires.
Si, apres chaque recuit, 1’echantillon est port6
lentement a la temperature de 1’azote liquide (tem- p6rature a laquelle se font les mesures), ces deux 6tapes se succedent sur la courbe isochrone, Ap(T),
sans que la resistivite des echantillons cesse de d6croltre en fonction de la temperature de recuit.
Au contraire, si apres chaque recuit l’echantillon
est trempe a la temperature de 1’azote liquide,
l’isochrone indique une augmentation de la r6sis- tivit6 entre - 120°C et
-60°C. Ce phénomène ne depend pas de 1’atmosphere gazeuse qui entoure
]’ échantiJIon. En effet, il se produit aussi bien
lorsque les recuits sont faits sous atmosphere d’hy- drog6ne que sous atmosphere d’helium. Ce pheno-
mene se manifeste pour des concentrations relatives
en lacunes et en hydrogene dissous tres diverses.
Nous 1’avons mis en evidence apres des trempes de 450 oC (CH/CL = 100 a l’équilibre thermodyna- mique) aussi bien qu’apres des trempes de 750°C (ClaICL - 1,5 a l’équilibre thermodynamique).
De nouvelles 6tudes ein6tiques et des experiences
de spectrom6trie de masse sont en cours.
Remerciements.
-Nous sommes heureux de remercier MIle Y. Cauchois, Directeur du Labo-
ratoire de Chimie Physique, de l’intérêt qu’elle a
manif este pour ce travail.
Nous remercions M. Lelogeais pour la pr6pa-
ration des enceintes expérimentales et M. Mou- lanier, qui s’est charge de la preparation des échan-
tillons.
Manuscrit regu le 14 f6vrier 1964.
R£Fl%RENCES [1] LUCASSON (P.), LUCASSON (A.), BUDIN (CI.) et DE-
NAYROU