ALIGNEMENTS DE CAVITÉS DANS LE MOLYBDÈNE IRRADIÉ PAR DES IONS 9842Mo+-ET PROCESSUS DE FORMATION DE L'ORDRE

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ALIGNEMENTS DE CAVITÉS DANS LE

MOLYBDÈNE IRRADIÉ PAR DES IONS 9842Mo+-ET

PROCESSUS DE FORMATION DE L’ORDRE

C. Thomas de Montpreville

To cite this version:

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ALIGNEMl3NTS DE CAVITES DANS LE MOLYBDENE I R R A D ~

PAR

DES IONS :;MO+-ET PROCESSUS DE FORMATION DE L'ORDRE

C. THOMAS D E MONTPREVILLE

Section d e Recherches de MCtallurgie Physique, Centre d'Etudes NuclCaires de Saclay, B.P. no 2,91190 Gif-sur-Yvette, France

Rbsum6, - Nous avons obtenu des cavitks ordonnkes dans du molybdhne irradik par des ions :;MO' de 500 keV. Ces populations sont constitukes d'alignements parallkles aux directions les plus denses du cristal. L'observation que nous avons effectuke sur un systkme particulier est en fait gknkrale ; elle est confirmke par les micrographies publikes par d'autres auteurs qui montrent des cavitks ordonnkes dans du molybdene irradik par des particules.diverses, et dans d'autres mktaux C.C. ou c.f.c. : dans quelques cas exceptionnels, les cavitks sont distribubes sur les noeuds d'un rkseau parfait homothktique de celui de Bravais, mais, le plus souvent, elles ne sont qu'alignks selon les directions cristallographiques les plus denses.

Parrni les explications qui ont ktk avanckes pour rendre compte de l'ordre des cavitks, une seule est en accord avec les directions systkmatiques des alignements : la diffusion anisotrope des interstitiels vers les cavitks. Les interactions elastiques entre cavitks considkrkes souvent comme le moteur de la mise en ordre, gouvemeraient en fait la stabilitk des alignements antkrieurement crCks ; dans certains mktaux, tels que le molybdkne, elles les stabiliseraient, dans d'autres, elles tendraient B les dbtruire.

Compte tenu de cette analyse, nous proposons un schkma pour l'kolution de l'ordre des cavitks en cours d'irradiation. Les rares rkseaux parfaits qui ont Ctk observks ont suivi vraisemblablement cette kvolution ; leur formation serait like B la presence d'klkments d'addition qui produirait des interactions klastiques adkquates entre cavitks.

Abstract. - We have obtained arrays of cavities in molybdenum irradiated by 500 keV ::MO+. These populations are made of lines parallel to the denser rows of the crystal. The observation we have carried out on a particular system is in fact general ; it is confirmed by the micrographs published by others which show arrays of cavities in molybdenum irradiated by yarious particles and in other b.c.c. or f.c.c. metals : occasionnally, cavities are on the points of a perfect lattice homothetic to the Bravais lattice, but more often thy only fall in straight lines parallel to the denser crystallography rows.

Among the explanations that have been put forward to account for the order of cavities only one is consistent with the systematic orientations of the lines : the anisotropic diffusion of interstitials to the cavities. The elastic interactions between cavities that have been often considered as the driving force for ordering should govern, in fact, the stability of lines that have been created previously ;

in some metals like molybdenum, it should stabilize them, in others it should lead to their destruction. This analysis taken into account, we propose a scheme for the evolution of the order of cavities during -m irradiation. The rare perfect lattices that have been observed, have probably followed this evolution ; their formation may be linked to .impurity elements which should produce adequate elastic interaction between cavities.

1. Introduction. - L'existence de populations

ordonnkes de cavitCs d'irradiation a etk mise en h i - dence par J. H. Evans [l] en 1970 : A l'issue d'une irradiation par des ions '$N+, du molybdene contenait des cavitks Gstribukes sur les nceuds d'uh rCseau quasi parfait homothetique de celui du cristal. Depuis, on a

produit des populations ordonntes de cavitks dans des mbtaux de structures cubique centrke, cubique

B

faces centrkes et hexagonale compacte en les bombardant par des particules diverses. Cependant l'ordre est

gknkralement tres loin dYCtre aussi bon, les quelques rtseaux parfaits obtenus dans le nickel [2], le niobium [3] et les alliages niobium oxygbne [4] constituant des exceptions. Les rdseaux imparfaits malgrt: leur importance numbrique, n'ont pas CtC l'objet d'ktudes particulikres. Nous pensons, quant A nous, que la confrontation de leurs caractkristiques gComCtriques avec les diverses explications qui ont Ctk avancees pour justifier la presence d'ordre apporte des informations utiles pour la connaissance de la cause de l'ordre.

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C'est pourquoi, nous analyserons ci-dessous la geo- mCtrie des rbeaux imparfaits que nous avons obtenus dans du molybdbne apri.s bombardements par des ions 28,Mof de 500 keV et que nous discuterons les diverses thCories a la lumiere de nos observations.

2. Experiences.

-

Nous en rappelons ci-dessous les caractkristiques essentielles, le dCtail ayant Ctk dCcrit ailleurs [5].

Les Cchantillons ont 6t6 prClevb dans un mono- cristal contenant moins de l00 ppm d'impuretCs ;

ils se prksentaient sous forme de disques de 3

mm

de diambtre et de 100 Fm d'Cpaisseur; leur axe Ctait voisin de la direction cristallographique [51 l] ; avant irradiation, ils furent recuits 24 h 9 1 200OC sous 3 X 10-4 Pa.

Les irradiations ont 6t.6 rkaliskes par C. Fiche et ses FIG. 2. - Cavitis obtenues 1 000 OC 80 d.p.a. vues selon [l 1 l]. collaborateurs B l'aide de 1'accklCr~teur SAMES 600

appartenant d la Division d7Etude et de Dkvelop- pement des RCacteurs. Le flux des ions :;MO' de 500 keV envoyks sur les Cchantillons ktait de 1,25 X 10i2 ions.cm-2 S-' provoquant dans une

couche de 110 nm un taux moyen de production de dkfauts de 7 X 10-3 d.p.a./s. Des irradiations ont MC

effectukes B 670 OC, 820 OC et 1 000 OC jusqu'a des doses de 27 et 80 d.p.a.

Les observations ont CtC effectukes dans un micro- scope Philips EM 300 kquipk d'un porte-objet a double inclinaison. La tension utiliske ttait 100 kV.

FIG. 3. - Cavitb obtenues $ 820 OC 37 d.p.a. vues selon [loo].

FIG. 1.

-

Cavitds obtenues a 1 000 DC, 80 d.p.a. vues selon [loo].

3. RCsultats expCrimentaux. - Des cavitCs ont 6tC observees dans les Cchantillons irradits

a

820 et 1 000 OC. Quelles que soient la temperature et la dose,

les cavitCs sont des cubes dont les faces ont Dour FIG. 4. - Cavitds obtenues B 820 OC 80 d.p.a. vues selon [loo]. orientations les plans ( 100 ) ; elles prCsenteni de

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un plan (111) (figure 2), les cavitks apparaissent alignees exclusivement selon les directions n2i], [ 2 n ] et [E2], ce que nous interprktons en disant-qu'ellgs sont rassembltes dans des plans de type B : (101), (01 1) et (710). Si les cavitks apparaissent grouptes dans les deux familles de plans A et B, c'est qu'elles foment des alignements selon les intersections des plans A et B

soit selon les directions [ill], [l 1 l] et [loo]. Cette dernikre direction doit Ctre Climink car on ne deckle pas d'alignements

<

100 ) sur les micrographies prises selon l'axe [l001 (figures 1,3 et 4).

Les cavites sont donc alignees selon les diric- tions

<

11 1 ) du cristal.

I1 n'existe pas d'autres directions d'alignements :

<

110 ) notamment ne sont pas des directions d'alignements car s'il en Ctait ainsi, -on ob_serverait cn projection sur (100) des rangees [l 101, [l011 et [Ol l],

ce qui n'est pas le cas.

3 . 2 EVOLUTION DE L'ORDRE EN FONCTION DE LA DOSE.

- L'evolution de la qualitk de l'ordre n'a pas fait l'objet d'une ktude systkmatique. Cependant la compa- raison des micrographies rCalistes sur des kchantillons irradies B 820 OC jusqu'aux doses respectives de 27 et 80 d.p.a. (figures 3 et 4) suggkre que l'ordre se perfectionne en cours d'irradiation. Au cours de cette mise en ordre, le nombre de cavitks diminue consi- dkrablement : kgal B 1,6 X 1018 cavitts par cm3

A

27 d.p.a., il devient 2,2 X 10'' cavitCs par cm3 B 80 d.p.a.

4. Discussion. - Les rdseaux imparfaits de cavitks que nous avons 'Gbtenus en bombardant du molybdkne par des ions ::MO+ sont donc constituks d'alignements parallkles exclusivement aux rangkes les plus denses du cristal. Cette observation suscite naturellement les questions suivantes :

A) Les rdseaux imparfaits rencontrks dans les mktaux sont-ils tous constitub d'alignements selon les rangkes atomiques les plus denses quels que soient les rtseaux cristallins ?

B) Si oui, quelles conclusions doit-on tirer quant aux causes de l'ordre observk et aux facteurs' qui conditionnent son kvolution ?

C) Compte tenu des rkponses apportkes

B

la ques- tion prtctdente, quel schema donner pour 1'Cvolution de l'ordre d'une population de cavitCs ?

D) Le schkma prtckdent peut-il rendre compte de l'obtention des quelques rares rbseaux p a r - i t s ?

4.1 QUELS QUE SOIENT LES PARTICULES ET LE R ~ E A U DE BRAVAIS DU MBTAL, LES C A V I T ~ D'IRRADIATION

SONT ALIGN~ES SELON LES RANGEES ATOMIQUES DENSES. - Nous avons vkrifiC cette proposition sur Ies diffe- rents exemples de rdseaux imparfaits prCsentCs dans la litttrature. En effet, une analyse calquke sur celle exposke au paragraphe 3.1 a montrk que [S] :

a) dans le molybdene irradik aux neutrons 161 les rdseaux imparfaits sont aussi constituts d'alignements

<

111 ) ;

b) dans les m6taux cubiques centres tels que le niobium [3], [7], [8] et le tantale [3], les populations ordonnkes de cavitks sont constitutes d'alignements

<

111 ) ;

c) dans les mCtaux cubiques a faces centrkes, tels que le nickel [7] et l'aluminium [9], les cavitks s'alignent selon les directions

<

110 ) ;

d) dans le magnksium 191 les cavites sont grou- pkes dans le plan debase.

4.2 ALIGNEMENTS SELON LES RANG~?ES DENSES ET CAUSES DE L'ORDRE. - On a imagink plusieurs causes possibles pour la formation de I'ordre. Les principales sont :

- Une instabilite de la population de lacunes. Cette instabilitk n7est pas d'origine purement chimique comme l'ont montrC D. de Fontaine [l01 et G. Mar- tin [l l], mais elle pourrait &re induite par l'interaction entre dkfauts ponctuels [ll]. 21 en rksulterait une structure comparable B celle obtenue par dbcompo- sition spinodale.

- La diffusion anisotrope des interstitiels dont une partie se trouverait sous forme de crowdions [12]. Les cavites alignkes selon les directions denses du cristal absorberaient beaucoup moins d'interstitiels que les autres car elles se feraient kcrans entre elles ; de ce fait elles grossiraient tandis que les autres disparaitraient.

- La tendance que les cavitCs auraient a rendre minimale leur knergie d'interaction klastique [l 3-1 51. Nous discutons ci-dessous la compatibilitk de ces explications avec les alignements de cavitts selon les directions atomiques les plus denses :

a) Les directions d'alignements ne sont pas celles prkvues par la thtorie de la dtcomposition spinodale. En effet, selon cette thkorie [16], la population de lacunes devrait donner naissance B des alignements

<

110 ) dans les mktaux tels que le molybdkne dont le facteur d'anisotropie est infkrieur

A

l'unitb et 51. des reseaux cubiques simples dans les autres. Les alignements observks ne sont donc manifestement pas les produits directs d'une ddcomposition spinodale. Ces alignements pourraient nkanmoins provenir d'une population obtenue par de'composition spinodale. Ce n'est vraisemblablement pas le cas, car il y a tout lieu de penser que l'ordre s'ktablit progressivement en cours d'irradiation. Nos essais ne nous permettent pas de l'affirmer avec certitude mais cela a ktk ttabli pour les populations ordonnkes de bulles d'hklium [l 71 qui prtsentent de t r b grandes analogies avec celles de cavitks.

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tailles des cavitks et leur espacement sont grands compares aux distances interatomiques, les directions d'alignements pour lesquelles l'knergie d'interaction entre cavitks est minimum sont impostes par les constantes klastiques macroscopiques et non par le reseau de Bravais [18]. Pour certains mktaux comme le molybdene, ces directions sont celles des rangkes denses du cristal, pour d'autres elles peuvent en diffkrer. Dans certains cas, I'knergie d'interaction klastique est un moteur de la mise en ordre, dans d'autres elle tend B detruire l'ordre anttrieurement crkC.

c) La diffusion prkfkrentielle des interstitiels selon les rangkes denses est la seule cause imaginke qui prkvoit la bonne direction des alignements ; nous la consid6rerons donc comme plausible.

4 . 3 SCH~MA POUR L'BVOLUTION DE L'ORDRE DES POPULATIONS DE CAVITES. - L'kvolution de I'ordre pouvait s'effectuer selon les phases suivantes :

a) Precipitation d'une population de cavitks trks

dense et dbordonnke.

b ) Disparition des cavitks non situkes sur des

alignements parallkles aux rangkes atomiques denses. c) Coalescence influencte par les interactions klastiques entre cavitb voisines. Deux types d'kvolution sont donc possibles selon les propriktes klastiques du matkriau :

c l ) Perfectionnement des alignements antkrieu-

rement crkts. La taille des cavites s'uniformise au sein d'un mSme alignement ; elle se dkveloppe au detriment de celle de la population inorganiste.

c2) Destruction des alignements existants et kvolution vers une population non ordonnke.

d ) Uniformisation de la distance entre cavitks. Le moteur de cette optration serait la compktition entre cavitks voisines pour la capture des dkfauts ponctuas. La distance intercavith serait fixke par des paramktres tels que les concentrations de dkfauts ponctuels et leur diffusion. Un modkle de ce type a ktk propost dkjh par P. Benoist et G. Martin 1191 pour rendre compte de la stabilitk des riseauxparfaits.

e ) Dans le cas c l ) passage progressif de l'ordre

unidirectionnel B Itordre tridimensionnel par des ajustements entre les alignements voisins. Cette kvolution se' ferait sous I'influence de l'ensemble des diffkrents facteurs qui gouvernent les phases 'prk- ckdentes ; elle est susceptible d'aboutir Q la formation d'un rbeau parfait.

4 . 4 RBSEAUX PARFAITS.

-

Les rkseaux parfaits sont rares et on ne sait pas les produire de facon reproductible [20]. On ne peut donc que formuler des hypothbses sur les causes de leur prksence.

Deux remarques conduisent B penser que le processus de leur formation entre dans Ie cadre du schkma

que nous avons donnk au paragraphe prkckdent pour l'evolution de l'ordre.

a ) Les rkseaux parfaits ne sont certainement pas les

produits directs d'une dkcomposition spinodale puisque leur gComktrie n'est pas celle prkvue par la thtorie.

b ) Les rtseaux homothktiques du rkseau cristallin

ne constituent pas systkmatiquement la configuration qui rend minimale l'knergie d'interaction klastique entre cavitks.

Cette configuration est en effet like aux coefficients d'klasticitk macroscopiques du mktal [l81 ; c'est un rkseau cubique simple dans le cas des mattriaux d'anisotropie positive comme le nickel et un rkseau cubique centre pour les matkriaux d'anisotropie nkgative comme le molybdhe. Le rkseau cubique B

faces centrkes obtenu dans -1e nickel par des ions stltnium [2] ne peut donc avoir 6tk induit directement par la seule action des interactions klastiques entre cavitks.

Les rkseaux parfaits n'apparaissent donc pas spon- tankment et ils ne tiennent pas leur existence de leur stabilite. I1 est donc trbs probable qu'ils sont produits au cours de l'tvolution complexe schkmatiske au paragraphe 4.3. La prtsence d'klkments d'addition, obtenu par alliage avant irradiation (alliage niobium oxygbne [4], molybdbne contamink par l'oxygkne ou le carbone [l]) ou par implantation d'ions ttrangers au cours de I'irradiation (niobium irradik par des ions tantale [3] ou nickel irradik par des ions stlknium [2]) semble nkcessaire a leur obtention. Lqs Cl6ments d'addition n'ont cependant pas un r61e clair : ils pourraient a ) modifier les constantes klastiques du mktal de base; ils pourraient, par exemple, rendre isotrope un mktal qui Q l'ktat pur a une anisotropie positive et rendre stable ainsi un rkseau cubique a faces centrkes ; b) accroitre la stabilitk d'un rkseau cubique centrk en accroissant les interactions klastiques des cavitks d'un rkseau cubique centrk dans un mktal dont I'anisotropie est ntgative ; leur skgrkgation B la surface des cavitts pourrait btre B l'origine de cette augmen- tation des interactions [l 51.

5. Conclusions. - Nous avons produit des

rkseaux imparfaits de cavitks en bombardant du

molybdene par des ions rnolybdbne de 500 keV. Ces

riseaux imparfaits sont en fait des alignements selon

les directions atomiques denses du cristal. L'examen des riseaux imparfaits publib suggkre que cette obser- vation est gknkrale dans tous les mktaux.

La confrontation de ce fait exptrimental aux explications avancees pour justifier l'ordre des populations de cavitks conduit B rechercher la'cause de l'ordre parmi les proprittks likes directement

a

I'arrangement des atomes dans le rbeau de Bravais :

a

ce titre la propagation prkfkrentielle des interstitiels selon les directions denses apparait une suggestion pertinente.

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Dans certains mCtaux elles stabiliseraient les alignements cr&s anterieurement, dans d'autres elles tendraient d les dbtruire.

L'Cvolution de I'ordre d'une population de cavites apparait Ctre le rCsultat d'une 6volution complexe dans laquelle plusieurs mCcanismes sont susceptibles d'intervenir. Pour estimer I'importance relative de chacun d'eux des exptriences de simulation seraient nkcessaires.

Les rkseaux pavfaits de cavitCs sont rares ; ils n'ont ktC obtenus que dans des m6taux impurs; ils sont vraisemblablement le terme d'une &volution de rkseaux

imparfaits lorsque la presence d'Cl6ments d'addition resulte en 1'Ctablissement d'interactions Clastiques adequates entre cavites.

6. Remerciements. - Nous remercions Mademoi-

selle J. Mathie et Messieurs J. Charry, A. Jeambrun et H. Podeur pour leurs contributions au travail expbrimental. Nous remercions bgalement Monsieur C. Fiche pour l'aide qu'il nous a apportee dans la rkalisation et l'interpretation des irradiations ainsi que Messieurs Y. Adda, G. Martin et P. Regnier pour des discussions fructueuses.

[l] EVANS, J. H., Nature229 (1971) 403.

[2] KULCINSKI, G. L. et al., J. of Nucl. Mat. 40 (1971) 166. [3] KULCINSKI, G. L., Proceedings of the International Discussion

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