Une sonde tomographique pour voir et analyser les atmosphères de Cottrell à l'échelle atomique

n° 383 - avril 2000

 
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Le Groupe de physique des matériaux (GPM)* de l'Université de Rouen vient, pour la première fois, de mettre en évidence une atmosphère de Cottrell dans les trois dimensions de l'espace et à l'échelle atomique. Ils ont pour cela utilisé une sonde tomographique**, technique de microscopie analytique quantitative. Le concept d'atmosphères (Cf encadré) a été introduit par Cottrell et Bilby en 1949 pour expliquer notamment certaines instabilités dynamiques observées dans les matériaux déformés plastiquement (effets Portevin-Lechatelier). De telles atmosphères gênent, voire arrêtent le mouvement des dislocations en cours de déformation plastique. Cet ancrage contribue à durcir l'alliage et améliore très sensiblement les propriétés mécaniques.

L'image d'une atmosphère dans un alliage FeAl (Fer/Aluminium) dopé au bore (voir encadré) présente la reconstruction tridimensionnelle d'un petit élément de volume analysé par tomographie atomique (10 x 10 x 5 nm3). L'alliage FeAl est un composé intermétallique de structure ordonnée dont les propriétés mécaniques sont renforcées de manière spectaculaire par l'addition de bore (400 atomes ppm). La ségrégation de cet élément aux joints de grains et la cohésion entre grains améliore la ductilité. En outre, le bore ségrège - se rassemble - sur les fautes d'empilement localisées sur les plans cubiques (i.e. parallèle aux faces de la maille cubique de FeAl). Cet enrichissement local des fautes en bore contribue probablement pour beaucoup à la stabilisation de ces fautes non observées dans les alliages sans bore.

 

 

Les atmosphères de Cottrell

 


Les atmosphères de Cottrell sont des nuages d'impuretés se regroupant autour des dislocations. Une dislocation coin est un défaut cristallin linéaire qui peut être introduit par déformation plastique du matériau (i.e. lorsque la limite élastique est dépassée). On rend compte ainsi de la déformation plastique d'un cristal par l'apparition de demi-plans placés en coin dans le cristal : la dislocation est la ligne bordant un demi-plan (représentée par dans la figure ci-dessus).

 


L'image de tomographie montre que le rôle du bore ne se borne pas à ces effets, il ségrège dans le voisinage de la ligne de dislocation. Seuls les atomes d'aluminium (en jaune) et en bore (rouge) sont représentés sur cette reconstruction. Tous les atomes d'aluminium détectés dans le volume ont été projetés dans un plan de telle manière à mettre en évidence la trace des plans atomiques cubiques riches en Al de l'alliage. Le fer n'étant pas représenté, seul un plan sur deux de la structure ordonnée de FeAl apparaît : les plans atomiques riches en fer s'intercalent entre chaque plan riche en aluminium selon une direction perpendiculaire aux plans cubiques. Cette reconstruction révèle la présence d'un " doigt " de bore, l'atmosphère de Cottrell. Elle perce la trace des plans atomiques dans une zone où existe un appauvrissement en aluminium. Le diamètre de l'atmosphère est voisin de 6 distances interplanaires (6 fois le paramètre cristallin de FeAl, soit environ 2 nm). La différence entre le nombre de plans atomiques observés " derrière et devant " cette atmosphère (21 et 22) révèle sans ambiguïté la présence d'un demi-plan supplémentaire c'est-à-dire d'une dislocation coin. La sonde atomique tomographie est la seule approche expérimentale capable aujourd'hui de mettre en évidence de tels effets à l'échelle atomique et dans les trois dimensions de l'espace.

La section de l'atmosphère, " tube " enrichi en bore, appauvri en Al et tangent à la ligne de dislocation, donne le profil de concentration en bore. Il reste maintenant à remonter aux mécanismes de formation de l'atmosphère dans les alliages FeAl et à passer par la confrontation des résultats expérimentaux aux théories décrivant l'interaction des impuretés avec le champ de contrainte créé par la dislocation.

Références :

  • D. Blavette, E. Cadel, A. Fraczkiewicz and A. Menand. Three-dimensional atomic-scale imaging of impurity segregationto line-defects. Science. Dec 17 (1999) pp. 2317-2319.
  • E. Cadel, D. Lemarchand, A. Fraczkiewicz and D. Blavette. Atomic scale investigation of boron nanosegregation in FeAl. Scripta Met. Mater. Vol. 41 (1999) pp. 421-426.

* CNRS-Université et INSA de Rouen.

** Conçue et développée par le laboratoire au début des années 1990, cette technique est désormais commercialisée par la société française CAMECA, spécialisée dans les instruments de microanalyse (sonde de Castaing, sonde ionique de Slodzian). Plusieurs prototypes de sonde atomique tomographique ont été livrés notamment au Japon et en Allemagne.
Image de tomographie atomique montrant la présence d'une atmosphère de Cottrell enrichie en bore dans un intermétallique FeAl et représentation schématique d'une dislocation coin (en haut à gauche).
L'enrichissement de bore est aligné le long de la ligne de dislocation (?). L'aluminium est en jaune et le bore en rouge. © CNRS-UMR 6634. Image : E. Cadel.