🔩 Défauts du réseau cristallin — Lacunes, interstitiels & dislocations

Un défaut ponctuel est une imperfection localisée à un site du réseau ou à proximité. Les trois principaux types sont les lacunes (un atome manquant, avec les voisins se relâchant vers l'intérieur), les interstitiels (un atome supplémentaire coincé dans un interstice, poussant les voisins vers l'extérieur), et les impuretés substitutionnelles (un atome étranger occupant un site régulier à la place de l'atome hôte, contraignant les liaisons environnantes s'il diffère en taille).

Une lacune est un site du réseau vide où un atome manque. Les atomes voisins perdent un partenaire de liaison et se relâchent légèrement vers l'intérieur en direction du vide, créant un petit champ de contrainte local qui décroît avec la distance à la lacune.

Un interstitiel est un atome supplémentaire coincé dans un interstice entre les sites réguliers du réseau. Comme cet interstice est plus petit qu'un atome, l'interstitiel repousse ses voisins vers l'extérieur, créant une contrainte de compression généralement plus forte et plus localisée que la contrainte autour d'une lacune.

Une impureté substitutionnelle est un atome étranger qui remplace un atome hôte à un site régulier du réseau plutôt que de se glisser entre les sites. Une impureté plus grande ou plus petite comprime ou étire localement les liaisons environnantes, mais la distorsion est généralement plus légère que celle d'un interstitiel puisqu'elle occupe tout de même une position de réseau correcte.

Une dislocation est un défaut linéaire traversant le cristal plutôt qu'un défaut ponctuel unique. Une dislocation coin se forme en insérant un demi-plan supplémentaire d'atomes à mi-chemin dans le réseau ; la rangée où ce demi-plan se termine est la ligne de dislocation, avec des liaisons comprimées d'un côté et étirées de l'autre.

Les métaux se déforment plastiquement par glissement de dislocation : la ligne de dislocation se déplace à travers le cristal une rangée de liaisons à la fois, ne nécessitant qu'un petit nombre de liaisons à rompre et reformer à chaque étape. Sans dislocations, une déformation permanente exigerait de faire glisser des plans cristallins entiers les uns contre les autres de manière rigide, rompant bien plus de liaisons simultanément — nécessitant une contrainte bien plus élevée que celle observée réellement dans les métaux.

Cette relation de type Arrhenius donne la fraction de sites du réseau vacants à l'équilibre thermique, où Ev est l'énergie de formation de lacune, k est la constante de Boltzmann, et T est la température absolue. Elle provient de l'équilibre entre le coût énergétique de création des lacunes et l'entropie configurationnelle gagnée en les distribuant aléatoirement parmi les sites.

Oui. La formule prédit un n_v/N non nul pour tout T > 0, donc une certaine concentration de lacunes à l'équilibre est thermodynamiquement favorisée, aussi petite soit-elle. Introduire quelques défauts augmente l'entropie configurationnelle bien plus qu'il n'en coûte en énergie de formation, si bien qu'un cristal parfaitement exempt de défauts n'est jamais le véritable minimum d'énergie libre à température finie.

Augmenter T rend plus d'énergie thermique disponible pour payer le coût fixe de l'énergie de formation Ev, et augmente kT par rapport à Ev de sorte que le terme d'entropie domine plus fortement le bilan d'énergie libre. Les deux effets font monter exponentiellement la fraction de lacunes à l'équilibre à mesure que la température augmente.

Les dislocations sont essentielles à la ductilité, mais des dislocations enchevêtrées ou épinglées (comme celles produites par l'écrouissage) entravent le mouvement ultérieur des dislocations et augmentent la résistance au prix de la ductilité. Les lacunes permettent la diffusion et le fluage à haute température. Les impuretés peuvent renforcer un matériau par renforcement en solution solide en gênant le glissement des dislocations.