Des surfaces aux joints de grains : la ségrégation dans tous ses états
Résumé
Number of alloys properties depends on the structure and the chemical composition of defects. In this context, we have studied interfacial segregation for a system presenting a strong tendency to bulk phase separate (e.g. Cu/Ag). This study has been performed by coupling Monte Carlo simulations with displacements and an effective Ising model. The considered interfaces are the Sigma=5 (310) <001> symmetrical tilt grain boundary as well as the (001) and (310) surfaces. For the grain boundary, Monte Carlo simulations show the existence of a 2-D compound in the grain boundary plane for an alloy with a strong tendency to phase separation in the bulk! For the (001) surface, we show the appearance of a crystallographical superstructure illustrating the complex coupling between segregation and structural change. A detailed matching of the Monte Carlo results on the rigid lattice model allows us to determine the interfacial segregation driving forces. The coupling of both methods highlights a significant contribution of the vibrational entropy to intergranular segregation, whereas it can be neglected for superficial segregation. A satisfactory evaluation of this entropic term must take into account for the vibrational coupling between nearest neighbors (thus the Einstein model cannot be used) and the differential thermal expansion near the interface. We then use the analytical approach to determine the segregation isotherms for the grain boundary. Thus, we show the existence of a first order multilayer phase transition. A rather similar behavior is obtained for the (310) surface, the interlayer interactions between open (310) planes being at the origin of these transitions both for the surface and the grain boundary. This multilayer aspect of intergranular segregation is then confirmed by Monte Carlo simulations. Moreover, these simulations show a wetting phenomenon, the initial grain boundary being split up into two interfaces separated by a metastable monocrystalline phase.
Grand nombre des propriétés des alliages dépend de la structure et de la composition chimique des défauts. Dans ce contexte, nous avons étudié la ségrégation interfaciale d'un système présentant une forte démixtion en volume et une tendance à ségréger en surface (i.e. Cu/Ag), par simulations Monte Carlo avec déplacements et un modèle d'Ising effectif sur réseau rigide. Les interfaces considérées sont le joint de grains de flexion Sigma=5 (310) <001> ainsi que les surfaces (001) et (310). Les résultats obtenus en Monte Carlo pour le joint de grains montrent l'existence d un composé ordonné bi-dimensionnel dans le plan du joint... dans un système à tendance à la démixtion ! Pour la surface (001), nous montrons l'apparition d une surstructure cristallographique illustrant le couplage complexe entre ségrégation et modification structurale. L analyse par le modèle sur réseau rigide nous a permis de déterminer les forces motrices de ségrégation intergranulaire et superficielle. Le couplage des deux méthodes a mis en évidence le rôle important de l'entropie vibrationnelle dans la ségrégation intergranulaire, alors qu'elle peut être négligée pour la ségrégation superficielle. L'évaluation de l'entropie vibrationnelle de ségrégation doit tenir compte des couplages entre vibrateurs premiers voisins (le modèle d Einstein ne pouvant donc être utilisé) et de la dilatation thermique différentielle à proximité du joint de grains. Nous avons alors utilisé l'approche analytique pour déterminer les isothermes de ségrégation intergranulaire. Nous avons ainsi mis en évidence une transition de phase du premier ordre à caractère multicouche. Un comportement identique est obtenu pour la surface (310), les interactions inter-plan étant à l'origine de ces transitions. Cet aspect multicouche de la ségrégation intergranulaire a été confirmé par des simulations Monte Carlo montrant de plus l'apparition d un phénomène de mouillage, le joint de grains initial se scindant en deux interfaces séparées par une phase métastable.
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