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Irradiation d’alliages Cu-Co
Alain Blaise
To cite this version:
Alain Blaise. Irradiation d’alliages Cu-Co. Journal de Physique, 1965, 26 (6), pp.361-366.
�10.1051/jphys:01965002606036100�. �jpa-00205977�
361.
IRRADIATION D’ALLIAGES Cu-Co Par ALAIN BLAISE,
Section de Physique du Solide, C. E. N. de Grenoble.
Résumé. - On étudie, par une méthode magnétique, la précipitation d’alliages métastables de Cu Co à 0,9 % de Co, obtenue par irradiation en pile à des températures comprises entre 42 °C
et 210°C. On compare les effets observés à ceux dus à des traitements thermiques aux mêmes températures. Les expériences mettent en évidence un très gros accroissement de la précipitation,
par irradiation, et une granulométrie des précipités différente dans les deux processus. On note
également un accroissement des interactions antiferromagnétiques dans la matrice.
Abstract. 2014 Irradiation aging of a supersaturated solid solution of Cu Co (0 . 9 % Co) is studied by a magnetic method. Precipitation induced by neutron irradiation at temperatures between
42°C and 210 °C is compared with that induced by thermal treatment at the same temperatures.
The precipitation is greatly increased by irradiation and the distribution of particle sizes is found to be quite différent for the two processes. Experiments show also a distinct enhancement of the antiferromagnetic interactions in the matrix.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE TOME 26, JUIN 1965,
Nous nous sommes proposes d’étudier les effets d’une irradiation aux neutrons et de les comparer
aux effets thermiques classiques, sur des alliages
en 6tat metastable, par une methode de mesure
magn6tique.
Nous avons 6tudi6 un alliage Cu Co a faible concentration en cobalt dont les proprietes magn6- tiques sont tres sensibles aux effets de segregation.
Par trempe a partir d’une temperature voisine de
la temperature de fusion, on garde la solution
solide Cu Co en 6tat metastable [1]. Toute preci- pitation induite donne alors un melange de grains
a teneur 90 % Co-10 % Cu et d’une matrice dont la teneur en Co est inf6rieure a 0,1 % en fin de precipitation.
Les propri6t6s magn6tiques de ce m6lange sont
connues [2] : les grains precipitent sous f orme sph6- rique, avec la structure c. f. c. du cobalt. Ils sont
ferromagnetiques avec des constantes voisines de celles de I’alliage massif : Is = 1300 gauss a 20 °K, Tc = 1 070 OC, constante d’anisotropie voisine de
1.05 ergslcm3. Tant que leur volume reste inférieur
au « volume de blocage » a la temperature consi-
d6r6e [3] et leur dilution assez grande pour ne pas
presenter d’interactions mutuelles, ils ont un com- portement superparamagn£tique [4]. La matrice a
un diamagn6tisme voisin de celui du cuivre : sa
susceptibilite est tres petite devant celle des grains.
Les propri6t6s magn6tiques de la solution solide sont moins simples qu’on ne le pensait génér-a-
lement et sa structure semble comporter [5] : a) des grains superparamagnetiques du type pr6-
cident (d’autant moins que la trempe est plus brutale) ;
b) des zones a concentration variable en Co, oÙ
les atomes de Co semblent lies par des interactions a caractere antif erromagnetique. Ces zones for-
ment des grains fins à comportement super- antifer-
romagntique [6] ;
c) des atomes de Co isoles au sein de la veritable solution solide, matrice des deiix types de grains
ci-dessus. Ces atomes presentent 6galement des
interactions antif erromagnetiques.
1. Preparation des 6chantillons et composition.
- Nous sommes partis de produits Johnson Matthey spectroscopiquemerit purs : poudre de Cu
et lingots de Co. Les alliages ont ete realises par fusion sous vide 1. heure au f our a induction, suivie
de trempe dans un creuset de cuivre refroidi par
eau. Apr6s usinage des 6chantilloiis sous forme de
petits cylindres de diamètre 6 mm, longueur
12 mm perces axialement 6 2 mm, et d6capage de surface, les cylindres ont subi un recuit d’homogé-
neisation de 24 heures 4 880 °C sous hydrogène
pur, suivi d’une trempe tres énergique dans un
courant d’hydrogene gazeux [7]. Le traitement
6tait effectué sur trois échantillons simultanément.
L’analyse chimique et spectrographique donne
1 a composition suivante :
le reste 6tant constitué principalement de Si et
d’autres impuretes non ferrornagnetiques.
2. ’Methodes de mesure et d’irradiation. Pro-
priétés magn6tiques initiales. 2013 Les echantillons ont etc mesures a ]a balance de translation [8], 4
trois temperatures différentes : 20,3 OK, 77,4 °K
et 296 OK, dans un champ magnétique étaJonné
variant de 1 000 a 17 000 oersteds. Leurs propri6t6s rnagn6tiques moyennes initiales sont representees (fig. 1). On constate bien : ,
1) d’une part la presence de grains superpara-
magn6tiques, attestee par les valeurs de M nette- ment plus 6lev6es que celles qu’on pourrait
attendre d’atomes de Co isol6s, sans interaction
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01965002606036100
362
FIG. 1. - Alliage Cu Co (0,9 % Co) trempe.
courbes expérimentales.
- - courbes th6oriques (atomes de Co isolés).
ayant chacun Ie moment 1,59 X 10-2° u. 6. m.
Ces grains sont extremement fins, la courbe M(H)
a 20,3 °K etant presque lineaire ;
2) d’autre part, la presence d’interactions anti-
f erromagnetiques, attestee par la courbe 1/x( T) qui coupe 1’axe des T pour T = -14 OK. Cette courbe a une concavite tournee vers 1’axe des T,
elle ne devient rectiligne qu’aux temperatures inf6-
rieures a 70 OK et pr6sente un minimum aux envi-
rons de 4 OK.
Toutes ces propri6t6s sont extremement sen-
sibles a la vitesse de la trempe ; nous avons ainsi obtenu avec des 6chantillons de meme compo-
sition, des 6carts atteignant Ji 20 % sur la suscep- tibilit6 mesur6e a basse temperature.
Les irradiations ont ete faites dans la pile piscine Melusine, au C. E. N.-G., sous atmosphere d’h6- lium, a diverses temperatures entre 42 et 210 OC [9],
dans des flux int6gr6s moyens en neutrons rapides (d’6nergie superieure a I MeV) de 5 a 15 X 1018 n/cm2. Ia’activation du Co aux neutrons ther-
miqueg 6tait 6vit6e en gainant de cadmium les échàntillons.
Des traitements thermiques de comparaison,
hors pile, ont ete effectu6s sur des echantillons t6moins pendant des dur6es 6gales aux dur6es
d’irradiation.
3. Effets d’irradiation et de recuit et mdthodes
d interpretation. - Les résu]tats sont résumés sur
FIG. 2. - T mes. = 20,3 OK.
A : 1 6chantillon trempe.
o : : 6chantillons irradi6s (qr = 5 x 1018 n/cm2).
: 6chantillons recuits (324 heures).
FIG. 3. - T mes. = 296 °1.
A : 6chantillon trempe.
0 6chantillons irradi6s.
. : 6chantillons recuits.
les figures 2, 3 et 4. On note un accroissement des aimantations sp6cifiques NI et de la courbure de
M(H), surtout a 20,3 OK, avec les temperatures
363
FIG. 4. - Ilchantillon irradie a T = 150°C.
0 avant irradiation.
x : apr6s une irradiation ( qr = 5 x 1018 n/cm2).
A apr6s deux irradiations.
. : apr6s trois irradiations.
de recuit ou d’irradiation. Ceci traduit donc sur-
tout une precipitation de grains superparama-
gn6tiques. Les accroissemEnts de M restent cepen- dant limites a 300 % de sa valeur initiale : les 6carts sur M dus aux differences entre les valeurs initiales des diff6rents 6chantillons ne peuvent etre négligés dans ces conditions. On limitera ces erreurs en travaillant uniquement sur les valeurs
0394 - Mtraité - Minitial-
Si l’on suppose faibles les variations des pro-
pi-i6t6s antif erromagnetiques de la solution solide,
ceci nous permet 6galement d’éliminer les pb6no-
m6nes antif erromagnetiques dans le premier essai d’interprétation que nous proposons pour les r6sul- tats d’irradiation. On fera I’hypoth6se que
AM2o·K (H) approche la saturation Ny des grains superparamagnétiques tandis que 0394M29gog (H) reste
dans la partie lin6aire de la courbe de Langevin N 12 H/3kT (N : nombre de grains par g d’alliage,
03BC: moment moyen des grains, k : constante de Boltzman). On trace alors AM296(AM20) 6
H = 17 000 oersteds, pour les differents echan- tillons. Si lV reste constant pendant les irradiations,
la courbe est une parabole, si (1. reste constant,
c’est une droite. Or on constate (fig. 5 et 6) que la courbe exp6rimentale se situe entre une parabole
et une droite pour les 6chantillons irradi6s sous un meme flux neutronique, a temperature variable,
et qu’elle est tres proche d’une droite pour un 6chantillon irradie a temperature constante et flux
variable. Le moment des grains obtenus par irra- diation a temperature fixe serait done constant,
FIG. 5. - Irradiation a flux constant : 1 5 X 1018 n/CM2.
courbes expérimentale.
- - courbes th6oriques limites.
FIG. 6. - Irradiation a temperature constante : 150°C.
- courbe expérimentale.
- - courbes th6oriques limites.
par consequent le volume moyen de ces grains
serait constant.
Une rnéthode d’interpretation plus 61abor6e con-
siste a faire les hypotheses suivantes, aux tempe-
ratures extremes de mesure, en observant la forme des courbes AM(H) :
- A fi = 20,3 oK, on assimile AM20(H) a la
somme d’un terme xr.H (ou xr, susceptibilité spe- cifique independante de H, represente la variation des propri6t6s antif erromagnetiques de la solution solide) et d’un terme de Langevin dont 1’expres- sion, pour 03BCH » kT, serait : M 0(1 - kT/03BCH).
Ce terme nous donne, quelle que soit la distri-
364
bution de taille des grains [10], leur volume
moyen V, le nomhre No de grains par cm3 d’alliabe
et le volume total V 0 de Co précipité par cm3
d’alliage. En effet :
(Is: aimantation a saturation du Co Cu a 90 %
de Co, et do : sa densite) .
On peut d6duire du volume du grain, le nombre n d’atomes de Co par grain connaissant la maille du Co Cu e. f. c., soit 3,54 A, d’ou
Les trois quantités xr, Mo et 03BC s’obtiennent gra-
phiquement en prenant trois
points
sur la courbeAM2o(H) et en vérifiant a posteriori que la condi- tion 03BCH » kT est satisfaite, a la precision des
mesures.
- A T = 296 OK, on ne peut plus isoler comme
dans le cas du superparamagnetique idéal, la sus- ceptibilit6 initiale des grains pour evaluer 1’ecart
quadratique moyen de la distribution en volume des grains. Nous mesurons, en effet, la somme de
deux termes ayant la meme variation avec H : le
terme du aux grains et celui du a la fraction
antif erromagnetique. On peut seulement constater qu’il reste (surtout pour les échantil10ns recuits)
une fraction ferromagnétique satur6e des 5 000 oersteds. Cette fraction correspond a de tres gros
grains. On peut 6valuer leur volume V m par une
m6thode graphique. L’extrapolation a l’origine de
la partie lin6aire de AM296(H) donne Mi (d’ou
le Vi de ces gros grains). On repere ensuite le
champ magn6tique Hm tel que .M fasse un 6cart a son asymptote de M1/10. L’ arqument corres- pondant de la fonctiori de Langevin est alors 6gal
h 10 et on Pn tire
II reste a verifier que nwls sommes bien dans le domaine superparamagnétique, meme a 20;3 -K
I,e volume de blocage des grains est de l’ordre
de 25 KTIK [41, soit a 20 oR. : 700 X 10-21 cm3,
or nos plus gros grains ne depassent pas 600 X 10-21 cm3.
4. Rdsultats expdrimentaux. - En appliquant
cette derniere methode d’interpretation, on obtient
les resultats consignés tahleau 1 : TABLEAU 1
4.1. GRANULOMETRIE SUPERPARAMAGNÉTIQUE.
- On retrouve pour les échantillons irradi6s, les
conclusions de la premiere m6thode :
A temperature d’irradiation corstante, ’f est
pratiquement constant et voisin de 9,8 X 10-12
cm3 tandis que lVo varie de 5,3 à 8,7 X 1017 grains
par cm3 et V 0 de 5.15 a 8,58 X 10--4, quand Or
va de 5 4 1.5 x 1018 nlcm2. Les points experi-
mentaux semblent s’aligner sur des droites ne pas- sant pas par l’origine. Ceci tient d’abord a nos
hypotheses de calcul qui introduisent des erreurs
considerables sur la granulom6trie car aucune des
courbes ð.M 20tH) n’atteint la saturation r6elle dans
nos champs de mesure. On en est d’autant plus eloigne que (pr est plus petit : ce qui nous interdit
pratiquement
les mesures 6 bas flux. Or, c’est pr6el--6ment pour des flux très inferieurs a 5 X 1018
nJcm2 que doit se produire le d6but de la nucleation
qui am6ne tres rapidement les tres petits grains
initiaux à 10-21 cm3. D’autre part, plus 1 e nomhre de grains f ormes augmente, plus leur chance de
redissolution augmente, ce qui explique le ralen.
tissement de croissance de No.
A flux de neutrons constant, V et No augmentent
365 en rneme temps avec la temperature d’irradiation
(respectivement de 6,7 a 9,7.10--22 cm3 et de 9,8 a 11,6 X 1017 grains/cm3 quand t passe de 42 a 210 °C). Vo croit de 2,6 a 8,6 X 10-4 pour des
alliages contenant, au total, 9,1 X 10-3 en Co.
On precipite donc de 2,76 à 9,44 % du cobalt
contenu, sous forme de grains, de rayon moyen
variant de 5,4 a 6,4 A et contenant de 60 a 86
atomes de Co.
Pour les recuits de comparaison, Vo croit tres
peu et reste systematiquement inférieur d’un fac-
teur au moins 6gal a 15, au Vo des 6chantillons irradi6s. La granulem6trie de ces 6chantillons reste donc tres sujette a caution à cause de la tres faible quantite de precipite form6 : elle depend, en outre,
6norm6ment des 6tats initiaux.
On peut conclure que, dans ces experiences, la
nucleation d’origine purement thermique peut être negligee devant la nuel6ation d’origine neutro- nique. La dose de neutrons tendrait surtout a. fixer
le nombre de germes, l’effet de la temperature
d’irradiation serait d’acc6l6rer les processus de dif- fusion fixant la taille de ces grains et dans une
moindre mesure, leur germination.
Si l’on compare les effets nucleaires aux effets
purement thermiques, on retrouve la similitude d’aspec;t deja observ6e dans de nombreuses exp6- riences, notamment celles de Murray et Taylor [11];
les courbes ôlJf(H) relatives a l’irradiation a 42 °C et au recuit a 210 OC, sont voisines aux trois tem- p6ratures de mesure. Cependant, notre m6thode magn6tique met en relief les differences entre les deux processus. La quantite totale de cobalt pr6ei- pit6 etant cinq fois plus forte pour 1’6chantillon irradie a 42 °C que pour celui recuit a 210 OC,
1’irradiation precipite surtout de trPs petits grains
et le recuit des grains relativement gros. La distri- bution de taille des grains est egalement tres diffe-
rente : 1’echantillon irradie n’a que 5 0/00 de ses grains plus gros que 630 X 10-22 cm3 (pour un
volume moyen de 6,7 X 10-22 cm3) alors que 1’6chantillon recuit en comporte 25 % superieures
a 3 100 X 10-22 cm3 pour un volume moyen tres voisin (11 x 10-22 cm3). L’irradiation donne
done une r6partition de taille bien plus etroite que le recuit.
Dans tous ces calculs, il convient cependant
d’etre prudent pour 1’evaluation quantitative des
resultats si l’on se souvient des hypotheses de depart, des imprecisions graphiques et de la dis-
persion des valeurs initiales des 6chantillons.
D’autre part, les grains formes contiennent au plus
90 atomes de cobalt : leurs propri6t6s magn6tiques peuvent donc etre assez différentes de celles du metal massif. En effpt., le nombre des atomes de Co
ayant un environnement complet en cobalt est, dans chaque grain, de l’ordre du nombre des cobalt périphéliques a environnement incom-
plet.
4.2. REGIONS ANTIFKRROMAGNETIQUES. -- On
note un accroissement de la susceptjbilité resi- duelle x, avec la température des recuits et avec
la dose de neutrons pour 1’echantillon irradie 6
temperature constante. Pour les echantillons irra- dies à flux constant et temperature variable xr jxa (xa : susceptibilit£ avant traitement) presente un
maximum voisin de 55 % aux environs de 133 oC
et d6croit de part et d’autre. Pour les 6chantillons
recuits, il atteint 75 % a la température de recuit
de 210 °C;. Etant donne le caractere complexe de
la solution solide, il est difficile d’interpréter cet
accroissement. Seule une 6tude des échantillons trait6s dans la région d’ordre, aux temperatures
inférieures à 4 °K, pourrait permettre de détecter les modifications subies par les zones superantifer- romagnétiques.
On note egalement un abaissenlent systématique
des points de Curie pour tous les
alliages
trait6s :de - 15 OK pour un 6chantillon vierge, on passe a - - 73 °K pour un alliage irradid a + 190 °C et
- 33 OK pour un alliage recuit a 210 °C (les points
sont obtenus par extrapolation de la droite joignant 1/Xr (20 OK) a 1/Xr (77 OK)). Les constantes de Curie correspondantes sont multipli6es par un fac- teur 4’pour 1’irradiation et un facteur 3 pour le recuit. 11 ne faut certainement pas la non plus
considerer ces chiffres comme exacts en valeur absolue car 1/x(T) n’est pas rigoureusement recti- ligne entre 20 et 77 OK, mais le sens de variation de ces valeurs est significatif. II indique que l’irra- diation comme le recuit tendent a augmenter les
interactions antif erromagnetiques dans la solution solide.
5. Conclusion. - Deux principaux processus
competitifs ont ete proposes pour interpreter les
eff ets d’irradiation sur les alliages metastables [11, 12, 13] : augmentation du taux de nucleation ;
dissolution des precipites deja existants pour les
grains inférieurs à une certaine taille critique avec augmentation de taille pour les autres grains.
Les etudes ont surtout port6 sur le second pro-
cessus en partant d’alliages deja precipites en tota-
lit6. Nous avons 6tudi6, au contraire, surtout le premier processus, le second restant faible
puisqu’on n’a pratiquement pas de précjpité pr6-
existant et qu’on augmente constamment la quan- tit6 de precipite f ormee tout au long des traite- rnents. Nous nous sommes plac6s, en outre, dans
des conditions expérimentales telles que la nuclea- tion d’origine purement thermique peut etre n6gli- g6e devant la nucleation d’origine neutronique.
Avec les restrictions vues plus haut, et compte tenu
du fait que la precipitation induite dans nos exp6-
riences reste faihie et affecte au maximum 10 %
du Co contenu, note m6thode nous a permis de
deduire que :
- le taux de germination des grains superpara-
366
magn6tiques semble fonction du flux de neutrons, tandis que la grosseur des grains depend de la temperature d’irradiation ;
- le processus de redissolution des grains, bien
que faible, semble intervenir des les flux de 5 x 1018 n/cm2 ;
- la nucleation d’origine neutronique se fait
avec une granulom6trie tres différente de celle
d’origine thermique. Ceci correspond a une origine
physique différente et semble confirmer la n6ces- site de faire appel au concept de « spike» pour
expliquer cette difference. Des etudes sont en cours
pour preciser ce point ;
- enfin l’irradiation semble accroltre les con-
plages antiferromagnetiques au sein de la solution solide.
Manuscrit regu le 16 avril 1965.
BIBLIOGRAPHIE [1] TAMMAN (G.) et OLSEN (W.), Z. Anorg. Chem., 1930,
186, 260-264.
[2] MIYAHARA (S.) et MITUI (T.), J. Faculty of Science, Hokkaido University, 1953, IV, 275.
[3] NÉEL (L.), Ann. Géophys., 1949, 5, 99-136.
[4] BEAN (C. P.) et LIVINGSTON (J. D.), J. Appl. Physics, 1959, 30 S, 120-129.
[5] TOURNIER (R.) et WEIL (L.), J. Physique Rad., 1962, 28, 522-529.
[6] NÉEL (L.), J. Phys. Soc., Japan, 1962, 17, B1, 676-685.
[7] TOURNIER (R.) et WEIL (L.), J. Phys. Soc., Japan, 1962, 17, B1, 118-121.
[8] BLAISE (A.) et PEUCH (M. A.), Rapport C. E. A
n° 2187,1962.
[9] PAULEVÉ (J.), MARCHAND (A.) et BLAISE (A.), Rapport
C. E. A. n° 2530,1964.
[10] CAHN (J. W.), Trans. AIME, 1957, 209, 1309.
[11] MURRAY (G. T.) et TAYLOR (W. E.), Acta Met., 1954, 2, 52-62.
[12] BOLTAX (A.), ASTM, Spec. Tech. Publ., 1957, 208,
183-190.
[13] PIERCY (G. R.), J. Phys. Chem. Solids, 1962, 23, 463-
477 et J. Nuclear Mat., 1962, 5, 158-159.
