💎 Maclage cristallin & joints de grains

Le maclage cristallin se produit lorsque deux cristaux partagent un plan cristallographique commun (plan de macle) ou un axe (axe de macle) tel que l'un des cristaux est une image miroir ou une rotation de l'autre. La frontière entre eux est le joint de macle.

La théorie CSL décrit les joints de grains en trouvant les points de réseau coïncidents lorsque deux réseaux cristallins sont superposés. La valeur Sigma (Σ) est égale à l'inverse de la fraction de sites coïncidents. Σ3 signifie que 1/3 des sites coïncident.

Les joints à faible Σ ont plus de sites de réseau coïncidents, ce qui signifie que les atomes au joint s'intègrent plus naturellement dans les deux structures de réseau. Cela réduit le désaccord structurel et l'énergie de déformation associée, entraînant une énergie interfaciale plus basse.

Un joint de macle cohérent est parallèle au plan de macle et présente une très faible énergie (correspondance atomique presque parfaite). Un joint de macle incohérent forme un angle avec le plan de macle, a une énergie plus élevée et une structure atomique plus rugueuse.

Le modèle de Read-Shockley décrit comment l'énergie du joint de grain augmente avec l'angle de désorientation pour les joints à faible angle (en dessous d'environ 15°) : E = E0·θ·(A - ln θ). Au-dessus de 15°, le joint devient à angle élevé avec une énergie à peu près constante jusqu'aux orientations CSL spéciales.

Le joint Σ3, avec une rotation de 60° autour de [111] dans les métaux CFC, est le joint de macle cohérent le plus courant. Il a une énergie extrêmement faible et se trouve en abondance dans le cuivre, le nickel et les aciers inoxydables austénitiques.

L'ingénierie des joints de grains manipule la distribution des types de joints de grains par traitement thermomécanique. En augmentant la fraction de joints à faible Σ, les matériaux gagnent en résistance à la corrosion, en résistance au fluage et en résistance à la fissuration intergranulaire.

Les joints de macle sont observés à l'aide de la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD), qui mesure l'orientation cristalline en chaque point. Les joints avec une désorientation de 60°/[111] sont classés comme macles Σ3. La MET peut résoudre la structure atomique au joint.

Les macles de croissance se forment pendant la solidification du cristal ou le dépôt de couches minces lorsqu'un défaut d'empilement se produit. Les macles de déformation se forment sous charge mécanique, en particulier dans les métaux HC (Mg, Ti, Zr) et certains métaux CC à basse température ou à taux de déformation élevé.

Le critère de Brandon définit l'écart maximal autorisé par rapport à la désorientation CSL exacte pour qu'un joint soit encore considéré comme un joint Σn : Δθ ≤ 15°/√Σ. Cette tolérance angulaire diminue à mesure que Σ augmente.