LES DISLOCATIONS DANS LA GLACE Ih

HAL Id: jpa-00217357

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00217357

Submitted on 1 Jan 1978

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

LES DISLOCATIONS DANS LA GLACE Ih

J. Perez, C. Maï, J. Tatibouet, R. Vassoille

To cite this version:

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C2, supplément au no 6, Tome 39, Juin 1978, page C2-72

LES DISLOCATIONS DANS LA GLACE

Ih

J. PEREZ, C. MAÏ, J. TATIBOUET et R. VASSOILLE Laboratoire de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux

(E.R.A. 463), INSA, 69621 Villeurbanne, France

Résumé. -Des données récentes concernant la vitesse des dislocations dans la glace à haute température montrent une dépendance non linéaire vis-à-vis de la contrainte. Pour les interpréter, nous proposons un nouveau modèle basé sur l'hypothèse d'une structure de cœur non cristalline des dislocations.

Abstract. - New data on the high temperature velocity of dislocations in ice show a non-linear

stress dependence. A new model, based on an amorphous core structure of dislocations, is then pro- posed to account for experiments.

Les défauts linéaires jouent un rôle important dans la physique de la glace Ih [l]. Les dislocations condi- tionnent en effet le comportement plastique et inélas- tique de ce matériau, tout comme sa croissance cristalline. En outre, ces défauts pourraient être associés à certaines propriétés électriques [2] (effet Hall, effet piézoélectrique.. .).

La glace Ih n'est un cristal que du point de vue de l'arrangement des atomes d'oxygène (structure wür- zite) : les dislocations représentent alors des pertur- bations linéaires dans cet arrangement. En fait les propriétés de ces dislocations dépendent aussi de la distribution désordonnée des protons qui sont seule- ment astreints à respecter les règles de Berna1 et Fowler [l].

Pour tirer parti du concept de dislocations, il faut résoudre le problème que pose le comportement dynamique de ces défauts dans la glace Ih. En effet, de nombreuses études relatives à la déformation plastique de la glace ont été effectuées. Divers méca- nismes physiques sont invoqués pour rendre compte de cette déformation plastique : on différencie alors les processus diffusionnels (fluage de Herring-Nabarro, de Coble, montée de dislocation. ..) des processus de glissement de dislocations qui seraient déterminants aux contraintes élevées < z/G < De plus il est maintenant admis [l] qu'agissent essentielle- ment les dislocations contenues dans le plan basal et de vecteur de Burgers b = a/3 [1120]. Il est donc nécessaire d'analyser dans quelles conditions une telle dislocation peut glisser dans le plan basal d'un cristal de glace Ih et de préciser la nature des obstacles s'opposant à ce glissement.

Glen [3] a montré que la distribution désordonnée des protons sur les liaisons hydrogène dans le cristal de glace représente un obstacle au mouvement des dislocations. En effet, l'avancée d'une dislocation correspond à une rupture puis à la formation de liaisons hydrogène. La probabilité pour que chaque

liaison soit correctement orientée (autrement dit, pour que le proton soit bien placé sur la liaison) est de l'ordre de

%

; ainsi, dans un cas sur deux la formation d'une nouvelle liaison s'accompagne de la création d'un défaut ponctuel (défaut ionique ou défaut rotationnel) et un tel mouvement du défaut linéaire n'est possible que pour des contraintes de l'ordre de 0,l C,,, ce qui est supérieur de plusieurs ordres de grandeur aux valeurs expérimentales. On est donc amené à considérer que l'avancée de la dislocation est conditionnée par la rotation des molécules d'eau de façon à orienter correctement chaque liaison. Cette idée a été développée quantitativement par différents auteurs [4, 5, 61 qui, avec l'hypothèse du mouvement de dislocation par diffusion de décrochements, abou- tissent tous à l'expression

avec

a : facteur numérique (entre 1 et 8 suivant les sim- plifications adoptées),

N , : concentration en décrochements le long de la dislocation,

z, : temps de relaxation associé à la rotation des molécules d'eau

zr = zo exp

E

f

+

EM

kT

Ef

et

EM

étant respectivement l'énergie de forma? tion et de migration du défaut ponctuel permettant la rotation des molécules d'eau.

La valeur maximale de v, est obtenue pour N, = 116. A 255 K et avec une contrainte de 10' N.m-2, v, ne dépend que de z, : si l'on calcule z, à partir des valeurs z,, EF et

EM

données dans la littérature [4] et en tenant compte des incertitudes relatives à ces valeurs, on obtient avec a = 2 : 10 < v,/b < IO3 s-l. Mais

DISLOCATIONS DANS LA GLACE C2-73

si on assimile z, au temps de relaxation diélectrique [5, 61 on a vd/b

-

50 s-' et il apparaît alors que cette valeur théorique est inférieure aux valeurs expéri- mentales 200

<

v,/b < 900 s-1 [4, 71. Cet écart pourrait s'expliquer par l'existence dans le cœur des dislocations d'une sursaturation - en défauts

ioniques [5].

Cependant, de nouveaux résultats expérimentaux portant sur des observations en topographie aux rayons X ont mis en évidence que la relation entre la vitesse de glissement des dislocations dans la glace et la contrainte de cisaillement n'est plus linéaire au-dessus de 260 K environ, cette non-linéarité étant d'autant plus nette que la température est plus élevée. Cette caractéristique, ajoutée à la nécessité de retrouver théoriquement la valeur expérimentale de v, ne permet plus alors, au moins dans le cas des hautes tempéra- tures, de retenir le seul modèle reposant sur l'hypo- thèse d'une avancée des dislocations après retourne- ment des molécules d'eau et orientation correcte des liaisons hydrogène. D'autres modèles plus clas- siques (franchissement des potentiels de Peierls, traînage de crans ...) ne semblent pas non plus rendre compte de toutes les caractéristiques expérimentales évoquées ci-dessus.

Il est alors nécessaire d'envisager un mécanisme d'avancée des dislocations dans la glace reposant sur des hypothèses tout à fait différentes. Ainsi, une analyse de la structure de cœur de ces défauts

181

a montré qu'il est thermodynamiquement possible d'en- visager une extension de ce cœur qui correspondrait alors à un arrangement non cristallin des molécules d'eau dans un cylindre dont la section croît avec la température.

Avec un tel arrangement non cristallin de la matière, tout changement de configuratio~ des molécules d'eau

permettant l'avancée de la dislocation implique un mouvement coopératif des molécules d'eau. En utili- sant un modèle géométrique simplifié et des relations associées à l'hypothèse des fluctuations thermiques du nombre de liaisons hydrogène rompues, il est possible de calculer la vitesse des dislocations :

vd =

PZ'/'

Y sh (r* b)3/2 (Gz) '1'

2 k T

avec v fréquence de transition d'une configuration à une autre, r* rayon du cylindre de matière non cris- tallineet G : module de cisaillement, (I : facteur géomé- trique.

Une telle relation montre que :

- l'on peut calculer des valeurs théoriques compa- rables aux valeurs expérimentales,

- il existe une relation linéaire entre v, et z à basse température (r* faible) ; cette relation n'est plus linéaire quand la température, c'est-à-dire r*, augmente.

Un tel processus semble, au moins à haute tempé- rature, plus probable que celui reposant sur l'hypo- thèse du retournement de molécules d'eau. Il est d'ailleurs possible qu'à plus basse température (< 250 K) les deux mécanismes présentent une impor- tance comparable.

En conclusion, bien que le comportement dyna- mique des dislocations dans la glace soit spécifique de ce matériau (ou plutôt spécifique des cristaux plastiques à liaisons hydrogène), il semble que, au moins à haute température (entre 0,9 T, et T,), le mouvement coopératif de molécules soit le mécanisme par lequel se déplacent les défauts linéaires. Cette hypothèse pourrait être étendue à tous les solides cristallins à liaisons dirigées.

Bibliographie

[l] MAY, C., PEREZ, J., RIVIÈRE, R., TATIBOUËT', J. et VASSOILLE, R., [5] WITHWORTH, R. W., PAREN, J. G. and GLEN, J. W., Philos. Mag.

Ann. Phys. 2 (1977) 91. 33 (1976) 409.

[2] ITAGAGI, K., Znt. Col. Phys. Chem. Zce, Ottawa, 1972. 161 FROST, M. J., GOODMAN, D . J. and ASHBY, M. F., Philos. Mag.

[3] GLEN, J. W., Com. Snow and Zce, Berne (1967), 352. 33 (1976) 951.

[4] PEREZ, J., TATIBOUËT, J., VASSOILLE, R. et GOBIN, P. F., Philos. [7] MAI, C., C . R. Acad. Sei. série B, 282 (1976) 515.