Bernard LEGRAND - inis.iaea.org
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FR8Soo 6 SO,
CEA-R-5283
| COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE
B.22
INFLUENCE DE LA STRUCTURE ELECTRONIQUE SUR LA FACILITÉ
RELATIVE DES GLISSEMENTS DANS LES MÉTAUX DE STRUCTURE
HEXAGONALE COMPACTE
par
Bernard LEGRAND
INSTITUT DE RECHERCHE TECHNOLOGIQUE ET DE DEVELOPPEMENT INDUSTRIEL
DIVISION DE METALLURGIE ET D'ETUDE DES COMBUSTIBLES NUCLEAIRES
Centre d'Etudes Nucléaires de Saclay
Rapport CEA-R-5283
1934 SERVICE DE DOCUMENTATION • • B i H M ^ B ^ ^ H M H a C.E.N.-SACLAY 91191 GIFsur-YVETTE Cedex FRANCE
PLAN DE CLASSIFICATION DES RAPPORTS ET BIBLIOGRAPHIES CEA
(Classification du système international de documentation nucléaire SIDON/INIS)
A 11 Physique.théorique -A 12 Physique atomique et moléculaire A 13 Physique de l'état condensé A 14 Physique des plasmas et réactions thermonucléaires A 15 Astrophysique, cosmologie et rayonnements cosmiques A 16 Conversion directe d'énergie A 17 Physique des basses températures A 20 Physique des hautes énergies A 30 Physique neutronique et physique nucléaire
B 11 Analyse chimique et isotopique B 12 Chimie minérale, chimie organique et physico-chimie B 13 RadiochJmie et chimie nucléaire B 14 Chimie sous rayonnement B 15 Corrosion B 16 Traitement du combustible B 21 Métaux et alliages (production et fabrication) B 22 Métaux et alliages (structure et propriétés physiques) B 23 Céramiques et cermets B 24 Matières plastiques et autres matériaux B 25 Effets des rayonnements sur les propriétés physiques
des matériaux B 30 Sciences de la terre
C 10 Action de l'irradiation externe en biologie C 20 Action des radioisotopes et leur cinétique
C 30 Utdisation des traceurs dans les sciences de la vie C 40' Sciences de la vie . autres études C 50 Radioprotection et environnement
D 10 Isotopes et sources de rayonnements D 20 Applications des isotopes et des rayonnements
Thermodyna *que et.mécanique des fluides Cryogénie Installations pilotes et laboratoires Explosions nucléaires Installations pour manipulation de matériaux radioactifs Accélérateurs Essais des matériaux Réacteurs nucléaire ; * (en général) Réacteurs nucléaires '(types) Instrumentation Effluents et déchets ;idioactifs
Economie Législation nucléaire Documentation nucléaire Sauvegarde et contrôle Méthodes mathématiques et codes de calcul Divers
E 11
E 12
E 13
E 14
E 15
E 16
E 17
E 20
E 30
E 40
E 50
F 10
F 20
F 30
F 40
F 50
F 60
Rapport CEA-R-5 283
Cote-matière de ce rapport : B.22
DESCRIPTION-MATIERE (mots clefs extraits du
en français
TERBIUM
DYSPROSIUM
ERBIUM
RESEAUX HEXAGONAUX COMPACTS
MONOCRISTAUX
GLISSEMENT
STRUCTURE ELECTRONIQUE
TITANE
DISLOCATIONS VIS
DEFORMATION
PLASTICITE
DEFAUTS D'EMPILEMENT
ANISOTROPIE
thesaurusSIDON/INISj
en anglais
TERBIUM
DYSPROSIUM
ERBIUM
HCP LATTICES
MONOCRYSTALS
SLIP
ELECTRONIC STRUCTURE
TITANIUM
SCREW DISLOCATIONS
DEFORMATION
PLASTICITY
STACKING FAULTS
ANISOTROPY
RAPPORT CEA-R-5283 - Bernard LEGRAND
INFLUENCE DE LA STRUCTURE ELECTRONIQUE SUR LA FACILITE RELATIVE DES GLISSEMENT5 DANS LES METAUX DE STRUCTURE HEXAGONALE COMPACTE.
Soamaire. - Nous avons é tud ié les modes de g l i s sement de monocristaux de t ro i s métaux hexagonaux compacts (H.C.) de t e r r e s r a r e s (Tb, Dy e t Er) . Le gl issement p r i n c i p a l y e s t l e g l i ssement p r i smat ique , comme c ' e s t l e cas dans p lus de la moitié des métaux H.C. . Nous montrons aloTS que l e choix du système de glissement p r i n c i p a l dans les métaux H.C. dépend e s s e n t i e l l e m e n t de la s t r u c t u r e é l e c t r o n i q u e de ces métaux, En u t i l i s a n t l a t h é o r i e des pseudopotent ie l s pour l e s métaux "normaux" e t un modèle de l i a i s o n s for tes pour l e s métaux de t r a n s i t i o n , nous obtenons une t r è s bonne c o r r é l a t i o n e n t r e l e r a p p o r t des énergies de faute basale e t pr i smat ique et le mode de g l i s sement observé. Nous avons de plus simulé l e coeur des d i s loca t ions v i s 1 <1120> dans l e t i t ane . La s t r u c t u r e de coeur non p l ana i r e obtenue expl ique bien les
RAPPORT CEA-R-5283 - Bernard LEGRAND
ROLE OF THE ELECTRONIC STRUCTURE IN THE RELATIVE EASINESS OF THE GLIDE SYSTEMS IN HEXAGONAL CLOSE-PACKED METALS.
Summary. We have s t u d i e d exper imental ly the s l i p systems of hexagonal close-packed (H.C.P.) r a r e ea r th s s i n g l e c r y s t a l s (Tb, Dy and E r ) . In these metals the main g l i d e system (M.G.S.) i s the p r i sma t i c one, as in more than h a l f of the H.C.P. meta ls . We show t h a t the e l ec t ron i c s t r u c ture of the matr ix p lays a d i r e c t role in the choice of the g l ide sys tem in H.C,P. m e t a l s . We have ca l cu l a t ed the basa l and the pr i smat ic s tacking f au l t energy with pseudopotent ia l s for d i v a l e n t simple metals and a t i g h t - b i n d i n g model for t r a n s i t i o n me ta l s . We have shown tha t there i s an e x c e l l e n t agreement between the r a t i o s (basal S . F . E . / p r i s matic S.F.B.) and the main g l ide systems observed. We have then s imula ted the core s t r u c t u r e of the screw d i s loca t ion
t r a i t s c a r a c t é r i s t i q u e s du g l i s sement pr ismat ique de ce mëtal : f a i b l e m o b i l i t é des d i s loca t ions v i s e t non r e spec t de la l a i de Schmid,
Commissariat à l 'Energ ie Atomique - France .
1 <1120> with the t i gh t -b ind ing model for Titanium. We obta in a non-p l ana r core s t r uc tu r e which exp la ins well the most important c h a r a c t e r i s t i c s of the pr i smat ic g l ide in t h i s metal : the low mobi l i ty of the screw d i s l o c a t i o n and the breakdown of the Schmid law for the c r i t i c a l r e so lved shear s t r e s s .
179 p.
Commissariat â l 'Energ ie Atomique - France .
T H E S E
PRESENTEE
A L'UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE
PARIS G
POUR OBTENIR
LE GRADE DE DOCTEUR ES SCIENCES PHYSIQUES
par
Bernard LEGRAND
INFLUENCE DE LA STRUCTURE ELECTRONIQUE SUR LA FACILITE RELATIVE DES GLISSEMENTS
DANS LES METAUX DE STRUCTURE HEXAGONALE COMPACTE
Soutenue le 24 avril 1984, devant le Jury composé de :
MM. J. FRIEDEL Président
Y. ADDA F. DUCASTELLE L.P. KUBIN Examinateurs R. LE HAZIF J.F. PETROFF J.P. POIRIER
- Rapport CEA-R-5283 -
Centre d'Etudes Nucléaires de Saclay Institut de Recherche Technologique et de Développement Industriel
Division de Métallurgie et d'Etude des Combustibles Nucléaires Département de Technologie
Section de Recherches de Métallurgie Physique
INFLUENCE DE LA STRUCTURE ELECTRONIQUE SUR LA FACILITE RELATIVE DES GLISSEMENTS
DANS LES METAUX DE STRUCTURE HEXAGONALE COMPACTE
par
Bernard LEGRAND
-Novembre 1984-
A ma femme
\- A mes parents F
REMERCIEMENTS
Que le l e c t eu r me pardonne les lourdeurs de s ty le dues à la
répétition du nom de François Ducastelle dans ce texte. Ceci ne fait que
refléter tout ce que ce travail lui doit. L'amitié et l'hospitalité qu'il
m'a offertes dans son laboratoire, en compagnie de Patrice Turchi et
Guy Tréglia, ont beaucoup enrichi cette thèse. Je les en remercie tous
trois chaleureusement.
Monsieur le Professeur J . Friedel a suivi régulièrement cette
recherche, me faisant profiter de ses conseils, tant sur les dislocations
que sur la structure électronique. Qu'il trouve ici l'expression de ma
reconnaissance et de mes remerciements pour avoir accepté de présider
mon jury.
Je remercie également Monsieur le Professeur J.F. Petroff pour
l'Intérêt qu'il a porté à cette étude.
Jean-Paul Poirier a guidé mes premiers pas dans la recherche. Ses
multiples questions et ses conseils ont avivé ma curiosité pour le domaine
des matériaux. Je l u i serai longtemps redevable de son enseignement.
Roger Le Hazif m'a proposé le sujet de cette thèse. Avec une
grande patience, il m'a initié aux techniques expérimentales, m'apprenant
qu'opiniâtreté et bonne humeur peuvent aller de pair . Je l u i adresse ici
mes remerciements amicaux.
Je suis extrêmement reconnaissant a Ladislas Pierre Kubin de
l'attention qu'il a manifestéepour ce travail, et du temps qu'il m'a
consacré.
Que Monsieur Y. Adda, qui m'a accueilli dans sa Section de Recherches
de Métallurgie Physique au Centre d'Etudes Nucléaires de Saclay, trouve ici
l'expression de mes remerciements pour le soutien qu'il m'a accordé tout
au long de cette étude. J'ai pu apprécier durant ces années de thèse
l'atmosphère cordiale de son laboratoire, et en particulier, la présence de
Vassilis Pontikis et Michel Guillopé, qui m'ont offert une aide précieuse.
En outre, les nombreuses discussions que j'ai eues avec
Shigehisa Naka à l'O.N.E.R.A. ont été.aussi fructueuses qu'agréables.
Je n'oublie pas Michel Bibolé et Mademoiselle J. Mathie dont
les conseils et le dévouement m'ont été très utiles.
C'est à Madame L. Bureau gu ' i ron t mes derniers remerciements,
mais non les moindres, pour la gentillesse et le soin avec lesquels elle
a dactylographié ce t ex t e .
à »
OOOOQ —
!
TABLE DES MATIÈRES
Pages
INTRODUCTION 1
CHAPITRE I : RAPPEL SUR LE GLISSEMENT DANS LES METAUX
DE STRUCTURE HEXAGONALE COMPACTE 4
I J : OBSERVATION PES MOPES PE GLISSEMENT DANS LES METAUX PE STRUCTURE H.C. 4
1.2 : RAPPEL PES PRINCIPALES APPROCHES THEORIQUES CONCERNANT LA FACILITE RELATIl/E PES MOPES PE GLISSEMENT 7
1.2 . / : GénéMxtUu 7 1.2 .2 : Fotee. de Pe-iytXi-NaooWio 7 1.2.3 : Vlaoaiation du dlilocati am 10
1.3 : RESULTATS EXPERIMENTAUX RECENTS 17
1.4 : BILAN PE CES RAPPELS IB 1.4.1 : StabiZUi eX mobiUXé. 18 1.4.2 : Bilan de. eu tappeli 20
CHAPITRE I I : ETUDE EXPERIMENTALE SUR DES MONOCRISTAUX
DE METAUX DE TERRES RARES 21
I I . / : OBJECTIFS PE L'ETUDE 21
11.2 : CONDITIONS EXPERIMENTALES 23 11 .2 .1 : Lu monouUitaux 23
11 .2 .2 ! Lu êpfiowjvUu de. tomptuilon 23 11 .2 .3 s Montage, de. aompKUilon 24 11.2 .4 : Ob&eMailont nicJiogw.phJ.qau 27 11 .2 .5 : Vipoultiement du couAbu contA<U.nte.-dé.io>um.tLon 27
11.3 : RESULTATS EXPERIMENTAUX 28 11 .3 .1 • Uodu de. dî&onmation ob&enuu 28
11 .3 .2 : Aipeat mLcHogKaphiqae. du lignu de gtinement et du maeZu 30
11.4 .• PI.SCUSSION 33
I I . 5 : CONCLUSIONS SUR L'ETUDE EXPERIMENTALE 38
CHAPITRE I I I : ANALOGIE AVEC LES METAUX DE STRUCTURE
CUBIQUE CENTREE, ET DIFFERENCE ENTRE LES
METAUX "NORMAUX", ET LES METAUX DE
TRANSITION 41
I I I . ! : RAPPELS SUR LES METAUX DE STRUCTURE CUBIQUE CENTREE 41
1 1 1 . 2 : ANALOGIE ENTRE METAUX H.C. ET METAUX C.C. 43
1 1 1 . 3 : DIFFERENCE ENTRE LES METAUX "NORMAUX", ET LES METAUX
DE TRANSITION 44
CHAPITRE IV : CALCUL DES ENERGIES DE FAUTE ET STRUCTURE
DE COEUR DES DISLOCATIONS DANS LES METAUX
"NORMAUX" 45
II/. I : RAPPELS SUR LES INTERACTIONS DE PAIRES 45
II / .2 : FAUTE D'EMPILEMENT BASALE 47
I I / . 3 : FAUTE D'EMPILEMENT PRISMATIQUE 50
ÏV.4 : COMPARAISON DE LA FAUTE BASALE ET DE LA FAUTE PRISMATIQUE 55
II/. 5 : SIMULATION DU COEUR DES DISLOCATIONS -j <1120> 57
CHAPITRE V : CALCUL DES ENERGIES DE FAUTE DANS LES METAUX
DE TRANSITION 61
l / . l : RAPPELS THEORIQUES 61
l/.l.J : GininaJUtii 61
I/. Z.2 : VicompoiitLon de V&nviQle. de cahHlon 62
l/. 7.3 : HodUz de tltbUotli {ohtt 64
1/. 1.4 : Mêi/iode de. Kîcu/uion 66
I / . J . 5 : VaAtmÇ.t)ieA du. calcul 67
1/.2 .• CALCUL DE L'ENERGIE DE FAUTE BASALE 68
1/.2.1 : KtiuliaZl, anttnleuu 69
I/.2.2 : RUwUatA 72
I/.2.3 : ViiouAiion 82
I/. 3 : CALCUL PE L'ENERGIE PE FAUTE PRISMATIQUE 83
V,3.1 : ïn&ioduation 83 I/.3.2 ! App«»u,matûm du moment d'o/idte. deux. 83 1/.3.3 ! Modèle ani&o&wpe 88
M : COMPARAISON PES ENERGIES PE FAUTE BASALE ET PRISMATIQUE 91
CHAPITRE VI : SIMULATION DU COEUR DES DISLOCATIONS VIS
i < 1 1 2 0 > DANS LE TITANE 99
l / I . Ï : INTROPUCTION 99
1/1.2 : MOPALITES PU CALCUL 100
VI.2.1 : C/ti&tal et potentiel inteAatomique. 100 1/1.2.2 : Condition!, aux limite* loi (/I.2.3 : Méthode, de minimisation de, l'&neAgie. 102 1/1.2.4 : Con&iguAation initiale. 103
1/1.3 : RESULTATS 104 1/1.3./ : ClÂAtallite Aani dislocation 104 1/1.3.2 : Dislocation non dib&ociée. 110 1/1.3.3 : P-ci-Cocn-tion d.t44oiiiée dani £e pian de baie 113 1/1.3.4 : Dislocation étalée dam le. plan puibmatique. 114 1/1.3.5 : PXiiocation d-iiiociée 4tu.van£ le. ichêma de Naka 118
1/1.4 : PISCUSSI0N 118
CONCLUSION 123
ANNEXES 126
BIBLIOGRAPHIE
-1 -
INTRODUCTION
Une vingtaine de métaux possède la structure hexagonale compacte (H.C.),
tableau I . Leur plast ic i té est contrôlée par une grande variété de processus
de déformation : glissement sur différents plans, maclage sur de nombreux
systèmes, pliage en genou, et même montée pure de dislocations.
Les modes de déformation par glissement ont été largement étudiés. La
connaissance de leurs mécanismes est essentielle pour comprendre la p last ic i té
des métaux de structure hexagonale compacte. Outre l'emploi bien connu de métaux
H.C. tels que le magnésium et le zinc, certaines industries de pointe sont de
grosses ut i l isat r ices de métaux H.C, comme le t i tane dans l ' industr ie
aéronautique et spatiale, et le zirconium dans l ' indust r ie nucléaire.
L'analyse des différents résultats expérimentaux obtenus sur les modes
de glissement montre clairement que chaque métal de structure hexagonale
compacte glisse sur un système principal faci le (système primaire), et sur
divers systèmes secondaires plus d i f f i c i l e s . Suivant le métal, le plan de
glissement principal est so i t basai, soit prismatique.
Le problème fondamental est de comprendre pourquoi chaque métal
"chois i t " de glisser facilement sur un type de plan plutôt que sur un autre.
L'objet de notre étude est de caractériser la raison physique qui est
â l 'o r ig ine du "choix" du système de glissement principal pour un métal donné.
Ce sujet est rendu complexe par le nombre de propriétés qui
d i f fèrent d'un métal à l 'au t re . Toutes ces propriétés découlent de la structure
électronique de ces métaux. Certaines sont cependant strictement géométriques
(rapport des paramètres c r i s ta l l i ns c/a), alors que d'autres sont fortement
liées à des considérations énergétiques (transformation de phase, constantes
élastiques).
Plusieurs études, rappelées dans le chapitre I , ont tenté de corréler
le "choix" du système de glissement principal â certaines des propriétés
évoquées ci-dessus.
La première approche, fondée sur une modélisation très simplifiée de
la structure atomique de la matière, conduit à une relat ion entre propriété
géométrique (rapport c/a) et système de glissement principal (modèle de Peierls-
Nabarro). Des exceptions â cette relation montrent toutefois qu'un cr i tère
purement géométrique n'est pas suffisant pour résoudre le problème.
-2-
Une autre approche (Régnier et Dupouy, 1970) s'appuie sur une étude
plus fine des dislocations responsables du glissement. L'importance du facteur
énergétique y est mise en évidence. La corrélation semi-empirique, proposée
par les auteurs, qui relie l'existence d'une transformation de phase :
hexagonale compacte •+• cubique centrée à la prépondérance du glissement
prismatique, conduit néanmoins à de nombreuses exceptions.
Il nous a semblé que la recherche d'un critère rendant compte de la
facilité relative de glissement dans les métaux hexagonaux compacts passait
par la connaissance expérimentale des modes de glissement principal de
l'ensemble des métaux de cette structure. Nous avons donc étudié les propriétés
relatives à la plasticité des métaux hexagonaux compacts de la série des terres
rares (chapitre II), peu connues jusqu'à présent.
Les résultats obtenus ont confirmé que la nature du glissement
principal est une propriété isoélectronique. L'importance de la structure
électronique, ainsi mise en évidence, nous a conduit à considérer, de manière
bien distincte, les métaux H.C. divalents et les métaux de transition (chapitre
III).
Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à 1'anisotropie des
énergies de faute d'empilement dans le plan de base et dans le plan prismatique.
Nous avons montré qu'elle est très différente dans les métaux divalents
(chapitre IV), et dans les métaux de transition (chapitre V).
Nous obtenons une excellente corrélation entre le rapport des énergies
de faute basale et prismatique, et le système de glissement principal observé
expérimentalement. Cette corrélation montre bien que l'origine physique du
"choix" d'un système de glissement se trouve dans la nature même de la structure
électronique.
L'origine physique du problème ainsi déterminée, nous avons tenté de
comprendre l'apparition du glissement prismatique facile au niveau de la
description atomique des dislocations.
Prenant en compte la structure réelle de la bande d des métaux de
transition, essentielle pour expliquer le phénomène, nous avons calculé, par
simulation numérique, la structure du coeur des dislocations vis i < H 2 0 > dans
le titane (chapitre VI). Une étude expérimentale récente (Naka, 1983) a en
effet montré que ce sont ces dislocations qui contrôlent le glissement
prismatique à basse température dans ce métal.
-3'
La configuration obtenue permet d'expliquer un certain nombre de
propriétés du glissement prismatique, dues principalement à la structure non
planaire du coeur des dislocations vis.
Le résultat de cette simulation just i f ie , de plus, a l'échelle atomique le critère issu du calcul des énergies de faute d'empilement basale et prismatique.
TABLEAU I : Métaux de s t r u c t u r e hexagonale compacte dans la c l a s s i f i c a t i o n
pér iod ique des elements.
C H A P I T R E I
RAPPELS SUR LE GLISSEMENT DANS LES MÉTAUX
DE STRUCTURE H.C,
I.1 - OBSERVATION DES MODES DE GLISSEMENT DANS LES METAUX
DE STRUCTURE H.C.
On recense cinq modes de glissement dans les métaux de structure H.C.
En u t i l i sant la notation de Miller-Bravais, ce sont (tableau I I ) :
- le glissement basai (0001) <1120> (Fig. 1.1);
- le glissement prismatique UOlO) <1120> (Fig. 1.2);
- le glissement pyramidal de première espèce, suivant a : {1011} <1120>
(Fig. 1.3);
- le glissement pyramidal de première espèce, suivant c+a : {10Ï1} <1123>
(Fig. 1.4); - le glissement pyramidal de deuxième espèce : {1152} <1123> (Fig. 1.5).
Les t ro is premiers systèmes ont la même direction de glissement <1120>.'>
Seuls les deux derniers possèdent une composante de glissement hors du plan de
base. Ceci explique l ' i n t é r ê t de leur étude (Price, 1960, 1961; Damiano et a l . ,
1969; Paton et Backhofen, 1970; Stohr et Poi r ier , 1972; Akhtar, 1973, 1976;
Minonishi et a l . , 1982) pour mieux comprendre la duc t i l i té tridimensionnelle
de ces métaux.
Contrairement aux métaux de structure C.F.C. ou C.C., l 'étude
expérimentale de la déformation plastique des métaux de structure H.C. est loin
d'être complète. Néanmoins, i l apparaît d'après les résultats déjà connus que
chaque métal possède un mode de glissement nettement plus faci le à déclencher
que les autres, appelé mode de glissement pr inc ipa l . Celui-ci est toujours
so i t basai, soi t prismatique, les glissements pyramidaux n'étant que des modes
de glissement secondaires (Poirier et Le Hazif, 1976).
Plans de glissement Directions de glissement vecteurs de Burgers des dislocations
Nom Indice Indice Symbole
basai (OOOI) — <1120> a
prismatique (îoio) - | r <112û> a
pyramidal de~l5i espèce
{îoïil — <1120> a
pyramidal de r "espèce
lion) — <1123> ~c + ~a
pyramidal de 2* espèce
~ (1122! — r < 1 1 2 3 > ~c* + T
TABLEAU I I I
FIGURE 1.1 FIGURE 1.2
100011
Le glIssement basai Le glissement prismatique
-6-
F1GURE ÏÏ3
Le glissement pyramidal de première espèce
FIGURE 1.4 FIGURE 1.5
\
111221
Le glissement pyramidal Le glissement pyramidal de première espèce de seconde espèce
-7-
Nous rapportons dans le tableau III les modes de déformation observés
dans les métaux H.C. en mentionnant le mode de glissement principal et les
modes secondaires.
1.2 - RAPPEL DES PRINCIPALES APPROCHES THEORIQUES CONCERNANT LA
FACILITE RELATIVE DES MODES DE GLI5SEMENT
I . 2 . Ï . - GENERALITES
Depuis la naissance de la théorie des dislocations, la f a c i l i t é
re lat ive des systèmes de glissement a suscité différentes approches théoriques.
Nous rappellerons i c i les principales idées émises pour tenter de répondre
à cette question. "
Le glissement macroscopique dans un c r i s ta l s'explique par le
mouvement de dislocations dont le vecteur de Burgers est parallèle à la
direction du glissement macroscopique. Frank et Nicholas (1953) ont montré que
les seules dislocations parfaites stables sont celles de vecteur de Burgers
a", c et c+a. Ce sont effectivement les seules dislocations parfaites observées
en microscopie électronique.
Si les directions de glissement sont bien prédites par ce cr i tè re
énergétique, le problème du choix du plan de glissement est plus complexe. Alors
que les dislocations coin ont leur plan de glissement déterminé par la direction
de la ligne et celle du vecteur de Burgers, tous les plans en zone avec une
dislocation vis parfaite sont des plans de glissement possibles.
Deux idées maîtresses ont guidé les recherches dans ce domaine :
- l'existence d'une force de f r i c t ion due au réseau, variable suivant le
plan de glissement (force de Peierls-Nabarro);
- la possibi l i té de dissociation dans un plan, imposant celui-ci comme
plan de glissement.
1 . 2 . 2 - WRÇE_PE_PEIERLS:WABARRO
Peierls (1940) fu t le premier à suggérer que la structure discrète
du réseau c r i s t a l l i n pouvait donner l ieu S une force de f r i c t ion s'opposant
au mouvement des dislocations.
Nous schématisons (Fig. 1.6) une ligne de dislocation coin, parallèle
à une direction compacte, et donc perpendiculaire au plan de la f igure, dans une
structure cubique simple.
:-&?..
m-w- m a b c
FIGURE 1.6 : Glissement d'une dislocation coin dans une structure cubique simple
(d'après Frîedel, 1964)
TABLEAU 11 I
Mode principal Modes secondaires c/a V T f C 44 C66
Cd B (1) TTj, ITg, P 1,886 0,54
Zn B (2) TT 2 , P 1,856 0,6
Mg B (3) TTj, P 1,624 0,98
Co B (4) TT2 1,624 (0,39) 1,06
Re B, P (5) 1,615 0,94
Tl P. B (6) 1,598 0,88 2,44
Zr P (7) TTj, B , 1T 2 1,593 0,53 0,91
Gd P (8) 1,590 0,97 1,02
Ti P 0) t<\t B , TT2 1,588 0,60 1,33
Ru P (10) 1,582 0,96
Tb P* B* 1,581 0,97 0,98
Hf P ( H ) B, n 2 1,581 0,88 1,07
Dy P* B* 1,573 0,98 0,99
•' "" Er P* • ; - . : : " - " B * • " : - 1,570 1,01 :-'
Y P (12) B • 1,571 0,96 0,98
Be B (13) P. ir 2 1,568 0,98 1,22
B : basal P : prismatique TT, : pyramidal de 1ère espèce
TTJ, : pyramidal de 2è espèce Ti.,T, : temperature de transformation et de fusion
(1) Price P.B. (1961); (2) Price P.B. (I960;; (3) Hlrsch P.B. et Lally J.S. (1965);
(4) Holt R.T. (1972); (5) Kopetskly Ch. V. et al. (1975); (6) Tyson W.R. (1969);
(7) Akhtar A. et Teghtsoonlan E. (1971); (8) Westlake D.G. (1967); (9) Akhtar A.,
Teghtsoor.ian E. (1975); (10) Snow D.B. et Breedis J.F. (1974); (11) Das G. et
Mitchell T.E. (1973); (12) Carnahan T. et Scott T.E. (1973); (13) Antolln J.
et al. (1965).
* Le Hazlf R. et Legrand B. (1982); Legrand B. et Le Hazif R. (1982).
Pour glisser de la position a à la posit ion équivalente c, Ta ligne
de dislocation passe par des positions intermédiaires tel les que b.
Toutes ces positions ne confèrent pas"la même énergie à la dislocation.
Celle-ci doit donc franchir des cols d'énergie lors de son mouvement. Pour
fournir ce supplément d'énergie, i l est nécessaire d'appliquer une certaine
force sur la dislocation.
La connaissance de cette force dépend naturellement de la nature de
la l ia ison atomique, e t des positions exactes des atomes autour de la
dislocation.
Pour déterminer cette force, Nabarro (1947) t ra i ta le c r is ta l comme
un milieu élastique continu, avec une fonction sinusoïdale pour les interactions
atomiques à travers le plan de glissement. La contrainte a, nécessaire au
glissement,varie alors exponentiellement selon la distance interrët icul aire
des plans de glissement, d ,
2u „ „ „ / 2 ir d. 0 " ~t e x P <" -TTB-)
avec K = 1 ou (1-v) selon le caractère vis ou coin de la dislocation
\> est le coeff ic ient de Poisson, u le module de cisaillement et b le
vecteur de Burgers de la dislocation.
Dans le cas du réseau hexagonal, en considérant les plans prismatiques
comme rugueux, on obtient les règles suivantes :
- ïa f ac i l i t é de glissement se joue toujours entre plan basai et plan
prismatique; les autres plans ayant des espacements plus petits et donc des
contraintes de Peierls plus élevées.
- Pour c/a > /8/3," valeur obtenue pour l'empilement compact, la distance
entre plans de base est plus grande que celle entre plans prismatiques. Le
glissement basai doit être plus fac i le .
-Pour c/a <V8/3; les plans prismatiques sont plus espacés que les plans
de base. Le glissement prismatique doit être observé comme système de glissement
pr incipal .
Ce cr i tère simple souffre malheureusement trop d'exceptions (tableau I I I )
I l est en effet d i f f i c i l e d'admettre qu'une très faible différence du rapport
c/a (inférieure à 0,5%) explique un comportement aussi dissemblable entre le
magnésium (glissement basai fac i le ; c/a = 1.623) et le rhénium (glissements basai
et prismatique aussi fac i l es ; c/a = 1.615).
-10-
De plus, le béryll ium, qui possède le plus pet i t rapport c/a (1.568),
glisse principalement sur le plan de base, alors que le cri tère ci-dessus
prévoit un glissement prismatique beaucoup plus fac i l e .
Ce modèle, qui ne prend pas en compte la nature de la l ia ison atomique
et en part icul ier la possib i l i té de cel le-ci d'être directionnelle, est trop
simple pour expliquer la f a c i l i t é relative des systèmes de glissement.
Remarquons enfin que l'emploi de l ' é l a s t i c i t é anisotrope (Yoo et
Wei, 1967) ne permet pas de lever les exceptions précédentes.
1.2.3 - WSS0Ç-IATI0N_ÇES_ÇISI.0ÇATI0NS
Si une dislocation vis nondissociée peut théoriquement gl isser sur
tous les plans en zone avec sa direct ion, une dislocation dissociée ne glissera
que dans son plan de dissociation. Une composante de glissement en dehors de ce
plan provoquerait la montée de la faute d'empilement, qui ne peut pas se
produire à basse température. On peut dès lors espérer prédire le mode de
glissement principal d'après le mode de dissociation.
La théorie élastique des dislocations prévoit qu'une dislocation
peut se dissocier en dislocations par t ie l les, si la répulsion entre cel les-ci
est suffisamment grande, et si l'énergie du ruban de faute n'est pas trop
élevée.
Dans le cas des métaux H.C., les dislocations vis de vecteur de
Burgers a, qui appartiennent au plan de base et à un plan prismatique, peuvent
se dissocier :
- dans le plan de base, selon le schéma classique :
y [1120] + y [1ÔÏ0] + 1 [01Ï0]
cette dissociation on deux part iel les de Shockley crée un ruban de faute de
structure cubique à faces centrées. L'empilement ARABAB... devient ABACBC...
La faute basale a pu être observée en microscopie électronique dans Mg
(Smallman et Dobson, 1970), Zn (Harris et Masters, 1966), Cd (Smallman et
Dobson, 1970) et Co (Ericsson, 1966; Korner et Karnthaler, 1983). Notons
cependant que, à l 'exception du cobalt, ces fautes sont bordées par des
dislocations de Frank et non de Shockley-
- dans le plan prismatique, selon différents schémas. La (ou les) faute(s)
prismatique(s) n'ayant jamais été observée(s) en microscopie électronique,
-11-
Vexpêrience ne permet pas de trancher entre les différentes dissociations
proposées.
En prenant un modèle de sphère dure Tyson a suggéré le schéma
suivant :
\ [1120] + j g [2^63] + ^ C4263]
L'évaluation de l'énergie de cette faute qui ne respecte pas la compacité de l'empilement parfait ne peut se faire sans le recours â des calculs atomistiques.
Plus récemment, Régnier et Dupouy (1970) ont remarqué que la faute de vecteur a/3 crée un ruban de faute analogue à un empilement de plans {112} dans la structure cubique centrée. Remarquons néanmoins que 1!espacement des plans du ruban de faute est légèrement différent de celui de la structure parfaite. Un déplacement perpendiculaire à la direction <1120>, d'amplitude (!-¥- - ^ a , doit être ajouté pour respecter le modèle de sphère dure (Naka, 1983). A 1'aide de cette similitude, Régnier et Dupouy ont proposé le schéma suivant pour la dissociation sur le plan prismatique :
\ [1120] + I [1120] + | [1120]
L'évaluation de l'énergie de la faute ainsi créée nécessiterait des calculs atomistiques. En l'absence de tels calculs, Régnier (1969) a suggéré que l'existence d'une transformation de phase H.C. -»• C.C. pourrait être liée â une faibVî valeur de l'énergie de faute prismatique. Cette valeur serait d'autant plus faible que la transformation se fait à basse température. Ainsi cet auteur propose le rapport :
Tf/Tf T t : température de transformation allotropique 1 H.C. + c;c.
ou H.C. -v C.F.C.
comme critère rendant compte de la facilité relative des glissements.
Ceci est satisfaisant pour le cas de Cd, Zn, Co et Mg ainsi que pour
Ti, Zr et Hf. Cependant le comportement du ruthénium reste inexpliqué, car ce
métal glisse très facilement sur le plan prismatique, sans présenter de
transformation HÉC. •+ C.C. (Snow et Breedis, 1974). De plus le béryllium et
1'yttrium qui ont tous deux un point de transformation H.C. + C.C. vers 0,98 T f
ont des propriétés plastiques très différentes : 1'yttrium possède un glissement
prismatique facile (Carnahan et Scott, 1977; Pikalov et al., 1981), alors que
le béryllium a le glissement basai prépondérant (Antolin et al., 1965).
-12-
Si le cr i tère ainsi défini souffre manifestement trop d'exceptions,
l ' idée de la possib i l i té de la dissociation prismatique est néanmoins séduisante.
Rappelons que le rapport T t / T - éta i t proposé en l'absence d'évaluation des
énergies de faute basalc s t prismatique.
Corréler fortement les énergies de faute à 0 K et l 'existence d'une
transformation allotropique entre 0,5 T f et T. rovient à sous-estiraer l'importance
du terme entropique. Celui-ci est pourtant essentiel pour la compréhension
de la s tab i l i té de la phase cubique centrée â haute température (Fr iedel, 1974).
Nous retiendrons du travail de Régnier (1969) la possibi l i té d'une
dissociation dans le plan prismatique suivant le schéma b/3 + 2b/3, et
1'importance: du ; rapport ;:
énergie de faute basale énergie de faute prismatique
Citons t ro is autres modèles de dissociation prismatique :
- celui de Aldihger et Jonsson (1977)
1 [1120] ->• 1 [ lo ïo] + -g- [1230]
ce modèle s' inspire également de la similitude avec un empilement cubique centré.
Le déplacement perpendiculaire à [1120] est expl ic i té dans le schéma, ce qui
conduit à des vecteurs de Burgers des part iel les non contenus dans le plan
prismatique. En projection sur Taxe a, la dissociation donne a/4 + 3a/4 au
l ieu de a/3 + 2a/3 dans le modèle de Régnier;
- celui de Sob, Kratochvil etKroupa (1975), proposé pour les métaux du
groupe IV.A (T, Zr, Hf) :
t + § + ( | + H") + (§ - H")
avec a = •= [1120] et ft" une petite composante coin (H ' - 0,06a). La première
par t ie l le se trouve dans le plan prismatique, la dernière dans le plan
pyramidal de première espèce, et la seconde à l ' intersect ion de ces deux plans
(Fig. 1.7). Cette configuration est sessile, car non planaire. Les auteurs
suggèrent que la déformation à f roid dans ces métaux du groupe IV.A se f a i t
par la recombinaison des deux dernières part ie l les sur le plan prismatique, qui
donne une configuration g l i ss i l e sur ce plan. Celle-ci est d 'ai l leurs celle
proposée par Régnier et Dupouy (1970).
-13-
- Celui de Naka et LasaTmonie: (1983), assez proche de celui de Sob et a l .
(1975), propose dans le cas du titane : + + + +
t -* a + a + a + a
La première par t ie l le est dans le plan prismatique, les deux suivantes sont
chacune dans un plan pyramidal de première espèce et la dernière est à
l ' intersect ion de ces t ro is plans (Fig. 1.8). Cette configuration est également
non planaire, donc sessi le. Par recombinaison d'une par t ie l le 1/6, on retombe
sur la configuration de Sob et a l . , à la peti te composante coin près. Par
recombinaison des deux part ie l les 1/6, on obtient la configuration g l i ss i l e
de Régnier et Dupouy (1970).
Après le rappel de ces modèles élastiques de dissociation, mentionnons
les quelques études de simulation du coeur des dislocations par ordinateur.
Bacon.et Martin (1981 a et b) ont simulé les dislocations vis et
coin i [1120]. I l s ont adopté un potentiel empirique de Lennard-Jones (6-12)
qui stabil ise la structure hexagonale compacte pour certains rayons de coupure
au delà desquels l ' in terac t ion atomique est nu l le . I l faut mentionner que l'énergie
de faute basale dépend fortement du rayon de coupure. Elle varie d'un facteur
4, lorsqu'on passe d'une coupure après les cinquièmes voisins (potentiel LJ5) à
une coupure après les sixièmes voisins (potentiel LJ6).
Les conditions aux limites sont celles fixées par la solution
élastique isotrope, et la relaxation est effectuée par la méthode des gradients
C O n j U g U ë S . - : • : . - : : : : . . : :
Sans contrainte appliquée, ces auteurs trouvent que la dislocation
vis i [1120] se dissocie dans le plan basai suivant le schéma classique
(Fig. 1.9 et 1.10)
•1 [1120] •* •!• [ïQÎO] + y [01Ï0]
Aucun étalement n'est observé dans le plan prismatique (Fig. I.11).
Bacon et Martin (1981) obtiennent pour la dislocation coin i [1120]
de ligne parallèle à l 'axe c (dislocation cu.n dans le plan prismatique) un
élargissement du coeur d'un facteur 2 par rapport à la solution élastique.
I l s ne constatent cependant aucune des dissociations proposées précédemment
,'Fig. 1.12 et 1.13).
-14-
FIGURE 1.7 : Modèle de Sob e t a l . (1975)
riFodj
V>i* °J
ffîJOI
a) Modèle de dissociation en trois partielles* Cette dissociation est sessile.
b) Dissociation glissile sur le plan prismatique D2 = a/2 B& = t/S + H"
Ds = a/e - B" H" : composante coin (H" - n,06a)
iD,
FIGURE I.8 : Modèle de Naka et Lasalmonle (1983)
N *>•« • (itiïOI
I») (»)
Recombinaison des trois partielles bj, bg et b3 de la figure (a) donnant une configuration glissile (b) qui correspond au modèle de Régnier et Dupoui t, = (l/3)aS t . = (l/3)a; t . = (2/B)a
P (S/3)â
-15-
FIGURE 1.9 : Dissociation de la dislocation VîS •=• < 1120> (Bacon et Martin, 19B1).
Projection des positions atomiques sur (2110). Les déplacements
relatifs parallèles à b entre deux atomes sont représentés par des
flèches joignant ces deux atomes. La longueur de la flèche est
proportionnelle au déplacement relatif et est normalisée à + Xtl-^.
+ + + + + + + + «- :+ + + + + +
+ +
• • •
•- + +
• • •
r + + i
i + +
+ + + + + + + + + + I+ + + + + *
(0001] •
+ î + +
• • •
+ + + + 1+ + +
*-ioi loi
FIGURE 1.10 : Variation des déplacements relatifs Au~ et Au,,, et des densités
de vecteur de Burgers p_ et p„, suivant x (le long du plan de base)
FIGURE 1.11 : Variation des déplacements relatifs A u z suivant y (le long du
plan prismatique)
Au 2 . 04
af\ 1)5
y/o
-16-
FIGURE 1.12 : Etalement de la dislocation coin prismatique <1120>
(Bacon et Martin, 1981), Projection des positions atomiques
sur (0001). Les déplacements relatifs parallèles à Ï entre
deux atomes sont représentés par des flèches joignant ces deux
atomes. La longueur de la flèche est proportionnelle au déplace
ment relatif et est normalisée à + b/_.
+ + + • + + + % • + * + % • + + + • + • . • • + V • + % • + • + + + • + • + v • + • + + • + . • + . • . + . • + • + * + • + t + t + . t + ; t . ^
+•••+•+ + + * + % * + • + • + % • + > + • • • + • + * +
> n u
î • + % • • + • • + • • - + + + • + •
+ + •I2ÏÏ0I
+ + +
FIGURE 1.13 : Variation des déplacements relatifs Au x et de la densité de
vecteur de Burgers p x suivant x (le long du plan prismatique)
AuJ
1.0 •
0.8 US EiOStlC **-£*&&&** •
x 0 " 6 ff^Reloxed 0.*
0.2 _ ^ ; 0.0 ,
-4 •* ° x / a 2 *
6
u.au
0.40
: -j<A Bostie
0.30 : -/ \ 0.20
0.10
0.00 efiS «/"Sal. 0.20
0.10
0.00
-4 - 2 ° x/a 2 * 6
-17-
Ces auteurs ont également f a i t l 'étude des contraintes crit iques de
glissement. Suivant le rayon de coupure u t i l i s é , le rapport des contraintes
nécessaires pour déclencher le glissement prismatique et le glissement basai,
a p r i s / a bas - e s t d e 3 ' 5 â 6 -
Ce travai l ne permet donc de comprendre que l 'apparit ion d'un
glissement basai fac i l e . Bien que le potentiel u t i l i s é reproduise globalement
les constantes élastiques de tous les métaux hexagonaux compacts moyennant un
facteur d'échelle, nous pensons que le résultat obtenu (glissement basai
prépondérant) dépend fortement du type d' interact ion atomique pris en compte.
Nous verrons par ]a suite qu^f] potentiel de paire, non direct ionnel,
conduit vraisemblablement à un glissement.basai f ac i l e .
Citons également l'étude de Basinski, Duesbery et Taylor (1970-1971)
portant sur la simulation du coeur des dislocations vis i [1120] dans le
sodium hexagonal compact, à l 'a ide d'un pseudopotentiel. L'énergie de la • • 9
faute basale étant très f a i b le , (3,5 erg/cm ), ces auteurs trouvent une large
dissociation sur le plan de base.
Nous reviendrons plus en détail sur ces deux travaux de simulation
(Chapitre IV), mais notons dès à présent qu ' i l s ne permettent de comprendre
que le glissement basai f ac i l e . Le problème de l 'appari t ion d'un glissement
prismatique faci le reste donc entier !
1.3- RESULTATS EXPERIMENTAUX RECENTS
Le f a i t que le glissement prismatique fac i le apparaît daps des métaux
à haut intérêt technologique (T i , Zr) a relancé tout récemment Tes études sur la
p las t ic i té due à ce glissement (Naka et Lasalmonie, 1982-1983).
L'étude très détai l lée de ces auteurs, menée en microscopie électronique
classique, in s i tu et à haute résolution, a permis de considérer comme acquis
les résultats suivants, dans le t i tane, à basse température (Naka, 1983) :
1) La faible mobil i té des dislocation v is . Celles-ci restent de plus
recti l ignes durant leur mouvement.
2) La forte dépendance en température de la l imi te élastique.
3) La dépendance en orientation de la cission crit ique du glissèrent
prismatique.
-18-
4) L'extension des dislocations c o i n i < l l 2 0 > prismatiques (à vecteur de
l igne parallèle à l 'axe ~c), dans le plan prismatique. L'image obtenue en
microscopie électronique à haute résolution (De Crecy, Bourret, Naka et
Lasalmonie, 1983) montre un élargissement d'environ 3 à 4 distances
interatomiques. Cette pet i te largeur ne permet pas de trancher entre les
différents modèles atomiques proposés.
Les points 1 ) , 2) et 3) ont été attribués par les auteurs à une
structure non planaire des dislocations vis 4 [1120]. Nâka et Lasalmonie (1983)
proposent ainsi le schéma montré dans le paragraphe précédent (1.2), et
expliquent le point 2) par un mécanisme thermiquement activé. Celui-ci réside
dans le franchissement du co l , séparant la position sessile de moindre énergie
et la position g l i ss i l e mêtastable.
Le mauvais accord quant i tat i f avec le modèle d'Escaig (1968) est
attr ibué â la modélisation de la structure du coeur en faute d'empilement, et
en part iel les interagissant élastiquement. Les énergies de faute mises en jeu
étant élevées (100 à 200 erg/cm ), les distances de séparation entre part ie l les
sont très faibles (2 à 5 distances interatomiques), et l ' é las t i c i té n'est plus
réellement valable pour décrire ce type de configuration.
Les conclusions de cette étude fa i te sur le titane peuvent probablement
être étendues au cas du zirconium et de Vhafnium (métaux isoëlectroniques au
comportement plastique très semblable).
1.4 - BILAN DE CES RAPPELS
L'étude précédemment citée met en évidence un point fondamental pour
la suite de ce t r a v a i l . I l s 'agi t des relations entre les notions de s tab i l i t é
et de mobilité des dislocations v is.
Nous décrivons dans le paragraphe suivant t rois cas de f igure
possible, expl ici tant les rôles de la s tab i l i t é et de la mobil i té.
1.4.1 - STABILITE_ET_M03ÏLÏT§
a) Comme nous l'avons précisé au début de ce chapitre (1.2.1), une
dislocation v is , dont la configuration de moindre énergie (stable) est non
dissociée, peut gl isser sur tous les plans en zone avec sa direct ion.
Les mécanismes contrôlant sa mobil ité sont à rechercher parmi ceux
proposés habituellement : interaction avec la forêt (Seeger, 1957; Fr iedel , 1957),
ef fet d'impureté, blocage par interaction mutuelle entre dislocations gl issi les
-19>
(Hirsch et LaTly, 1965), force de Péiërls dans son sens or ig inal .
Ces mécanismes ne font pas explicitement appel à la structure de
coeur de la dislocation. Dans ce cas, la s tab i l i t é de la configuration non
dissociée ne fourni t de renseignements, ni sur les mécanismes contrôlant
la mobilité de la dis locat ion, ni sur le "choix" du système de glissement
pr inc ipa l .
b) Le deuxième cas, que nous allons considérer, est celui des métaux C.F.C.
à fa ib le faute d'empilement, ainsi que du cobalt H.C..
Les dislocations vis y sont dissociées, ou largement étalées, dans
un seul plan, qui devient de ce f a i t le plan de glissement pr incipal .
Le choix duplan de glissement est donc f i x é , i c i , par la s tab i l i t é
de la configuration dissociée.
La mobilité de ces dislocations dissociées dans le plan de glissement
principal n'est pas gouvernée par un éventuel changement de configuration, mais,
de nouveau par les mécanismes déjà évoqués dans le cas d'une dislocation vis
non dissociée (arbres de la fo rê t , impureté, e t c . ) .
La mobilité de ces dislocations dans les plans de glissement
secondaires sera contrôlée, par contre, par des mécanismes de déviation
(Escaig, 1968), faisant intervenir la configuration stable dans le plan de
glissement pr incipal , et les éventuelles positions métastables dans les plans
de glissement secondaires.
c) L'étude du t i tane ou des métaux cubiques centrés montre qu'un troisième
cas peut se rencontrer. La forme stable de la dislocation vis i <1120> dans
le t i tane est une configuration sessile composée d'un étalement pr inc ipa l ; et
d'étalements secondaires non «planaires (Naka, 1983).
Le mouvement de la dislocation nécessite la transformation de la
l igne ou d'un segment de l igne en configuration g l i s s i l e étalée uniquement sur
un plan.
Le mécanisme, qui contrôle alors la mobi l i té, est étroitement l i é
à la s tab i l i té de la configuration sessile. Ce mécanisme est le franchissement
du col d'énergie entre la posit ion sessile et l a posit ion g l i s s i l e , par
constrict ion des étalements secondaires. Lorsque les étalements non coplanaires
de la configuration sessile sont d'égale importance (cas des métaux de structure
cubique centrée), l 'o r ienta t ion de la contrainte est déterminante quand au choix
du plan de glissement. Le mécanisme, qui contrôle la mobil i té, reste cependant
le passage de la position sessile stable à la position g l iss i le métastable.
-20-
Tant dans le titane que dans les métaux cubiques centrés, les
énergies de faute sont probablement élevées. Ceci est suggéré par le fait
que ces fautes n'ont jamais été vues en microscopie électronique.
La simulation numérique du cceur est alors le seul moyen de
visualiser les configurations stables et le rôle de la contrainte dans la
c.nnstriction ^.s étalements.
T.4.2 - BmN_VE_CBS_UPPELS
Si le problème de la f a c i l i t é re lat ive des glissements dans les
métaux de structure hexagonale compacte a suscité de nombreux travaux, la
recherche d'un cr i tère simple n'a pas débouché jusqu'à présent.
Contrairement à 1'étude de la p las t ic i té â f ro id des métaux C.F.C. et
C.C. qui est bien avancée, celle des métaux H.C. est lo in d'être complète.
Environ un t ie rs des métaux H.C. n'a pas encore été étudié quant à
son comportement plastique (terres rares lourdes, osmium et technetium). Les
observations en microscopie ëlectroniqj» sont encore inexistantes dans la
moitié de ces métaux.
Dans les métaux C.C, les travaux de simulation (ar t ic le de revue de
Vitek et Yamaguchi, 1980) ont permis d'éclairer le problème du plan de
glissement et dll pcarn'sme contrôlant la déformation à basse température.
L'échec flagrant de ces simulations dans le cas des métaux H.C. montre qu'un
"ingrédient" physique essentiel a été omis.
Nous nous attacherons, dans la suite de cette étude, à répondre aux
-.questions suivantes . :::3^ ----.-:-• r.v:
- Quels sont les plans de glissement des métaux de structure H.C, non
encore étudiés-?
- Comment expliquer l'échec des travaux de simulation fa i ts jusqu'à présent?
- Comment fa i re une synthèse de tous les résultats connus, et les classer
à l 'a ide d'un cr i tère satisfaisant ?
- Que peut-on dire des mécanismes contrôlant le glissement des métaux H.C.
â basse température ?
-21-
C H A P I T R E I I
ÉTUDE EXPÉRIMENTALE SUR DES MONOCRISTAUX
DE MÉTAUX DE TERRES RARES
I l .1 - OBJECTIFS DE L'ETUDE
Comme i l a été noté dans le chapitre précédent, les propriétés plastiques
de plus d'un t iers des métaux hexagonaux compacts n'ont pas été étudiées.
C'est le cas de l'osmium, du technetium (produit de synthèse) et de sept métaux
de la série des terres rares : gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium,
thulium et lutetium. L'ytterbium est la seule terre rare lourde à avoir la
structure cubique à faces centrées.
Quelques informations existent sur les systèmes de glissement observés
dans certains de ces métaux (Tchupyatova et a l . , 1974; Liebermann et Graham,
1977), mais les données sont trop fragmentaires pour dresser un tableau
s ign i f i ca t i f des modes de déformation des métaux de structure H.C. de la série
des terres rares.
Pour posséder des informations sur la quasi- total i té des métaux H.C.
e t rechercher ainsi un cr i tè re s ign i f i ca t i f de la f a c i l i t é relat ive des modes
de glissement, nous avons estimé nécessaire d'étudier le comportement des
métaux H.C. de la série des terres rares. S'agissant de métaux appartenant à une
même série, et par là-même, différant peu pour de nombreuses propriétés
(rapport c/a, température de fusion T-, structure électronique), (tableau IV),
nous nous sommes l imités â l'étude de trois d'entre eux : le dysprosium, Terbium
et le terbium.
Pourquoi avoir choisi précisément ces t ro is métaux ?
Le dysprosium et Terbium différent essentiellement par l'existence
d'un point de transformation allotropique H.C. S c.C. à 0,98 T. dans le
dysprosium (Spedding et a l . , 1973), alors que Terbium reste hexagonal compact
jusqu'à son point de fusion (Spedding et a l . , 1973).
-22-
TABLEAU IV : Propriétés physiques des métaux H.C. des terres rares
c/a T f (°K) T + (°K> C44 / C66
Gd 1,590 1585 1535 1,02
Tb 1.581 1630 1565 0,98
Dy 1,573 1683 1654 0,99
Ho 1,570 1740 1700 1,00
Er 1,570 1802 - 1,01
Tm 1,570 1820 - 1,00
Lu 1,585 1905 -" ' • "
-23-
L'étude comparative de ces deux métaux permet de tester l ' inf luence
d'un te l point de transformation sur la f a c i l i t é relat ive des glissements,
influence suggérée par Régnier et Dupouy (1970).
Les informations déjà publiées sur le terbium (Tchupyatova et a l . , 1971)
d i f férant notablement de celles obtenues sur le dysprosium et Terbium, nous
avons été amenés à étudier, dans les mêmes conditions expérimentales que pour
ces deux métaux, le comportement tiu terbium.
Nous présentons i c i les résultats obtenus sur des monocristaux de
dysprosium, d'erbium et de terbium déformés en compression entre 77 K et 900 K.
I I . 2 - CONDITIONS EXPERIMENTALES
I I . 2 . 1 - ^.MONOCRISTAUX
Les monocristaux de dysprosium, d 1 erbium et de terbium ont été fournis
par Cambridge Instrument Company, sous forme de barreaux monocristal!ins de 5 mm
de diamètre et 15 mm de long. La pureté garantie est supérieure à 3N.
L'analyse par spectromëtrie de masse par étincelle pour ces t ro is
métaux est donnée en annexe I .
Une analyse spécifique pour la teneur en hydrogène et en oxygène y
est également reportée. Si la pureté effective est d'environ 3N (en poids)
pour le dysprosium et 1'erbium, la teneur en oxygène dans les monocristaux de
terbium est nettement plus élevée : environ 2%. Nous verrons les conséquences
de cette présence d'oxygène, non désirée init ialement !
I I . 2. 2 - LESjreOUI/ETTES_PE_COMPRESSION
Les échanti l lons, de forme parallel épipèdique, ont été découpés
par êlectroërosion. Leur dimension est d'environ 2 x ?. x 4 mm. Cette t a i l l e est
f ixée par le diamètre du barreau i n i t i a l (5 mm) e tTo r i en ta t i on de l 'échant i l lon
à par t i r du barreau. La pet i te dimension des échantillons de compression pose
naturellement le problème de la f i ab i l i t é des résultats obtenus. Nous nous
sommes cependant assurés que le glissement n 'é ta i t pas bloqué par les plateaux
de la machine de compression.
Le polissage des terres rares n'est pas un problême simple, comme le
montre la thèse de Picard (1977) sur la dissolution anodique du gadolinium, ainsi
que les travaux de Love (1961), Roman (1965) et Hopkins, Peterson et Baker (1965).
-24-
Nous avons adopté la procédure suivante : chaque échantillon est poli au papier
600, puis electrolytiquement à 198 K dans un bain de composition suivante :
- methanol : 92,5 %
- acide perchlorique : 7,5%
La tension est de 15 volts en c i rcu i t fermé, avec une vitesse de montée en
tension de 2,5 volts/mn. L'échantillon est ensuite rincé dans du Methanol à
198 K, et les faces de compression sont finalement aplanies au papier 600.
Les orientations avant et après découpe ont été effectuées par la
méthode de Laiie. Les figures I I . 1 , I I .2 et I I . 3 montrent des clichés obtenus
sur le terbium, le dysprosium et Terbium. Ce dernier cliché possède beaucoup
moins de taches de sous-structure. Cela est probablement dû à l'absence de
transformation allotropique H.C. •+ C.C. dans l 'erbium.
Nous avons reporté figure I I . 4 , I I . 5 et I I . 6 des courbes montrant la
var ia t ion, selon l ' o r ien ta t ion , des facteurs de Schmid (facteur de projection de
la contrainte suivant le plan et la direction de glissement) pour les glissements
basai, prismatique et pyramidaux. Trois domaines d'orientation (Fig. I I .7 ) ont
été choisis pour l'étude des modes de déformation :
- Dans le domaine I , où l'axe de compression f a i t un angle proche de 90°
avec l'axe c, le glissement prismatique est favorisé.
- Dans le domaine I I , où l'axe de compression f a i t un angle compris entre
30° et 50° avec Taxe c, le glissement basai est favorisé.
- Dans le domaine I I I , enf in, où Taxe de compression est proche de Taxe
c, le glissement pyramidal de deuxième espèce possède l 'or ientat ion la plus
favorable.
Nous nous sommes efforcés d'éviter les orientations, [T2Tn] et [TlOn],
où deux plans prismatiques sont également s o l l i c i t é s , ainsi que deux directions
de glissement dans le plan de base. On doit s'attendre dans ce cas à une
consolidation beaucoup plus forte que dans les autres orientations.
I I . 2 .3 - MÛWTAGE_PE_C0MPRESSI0W
La compression uniaxiale se f a i t sur une machine INSTRON avec une
vitesse constante de déplacement de la poutre de 5 iim/mn, donnant des vitesses
de déformation d'environ 10" / s .
Les essais à 0,3 T. et 0,5 T, ont été .effectués sous vide secondaire -4 T T
(10 Pa), pour éviter autant que possible, l 'oxydation des surfaces de
l 'échant i l lon. Nous avons placé des lames de mica entre l 'échanti l lon et les
-25-
Clîchés de Laiie de Dy, Tb, Er
"Figure I I.1 : Dy
Figure I1.2 : Tb
Figure 11.3 : Er
-26-
Varîatïon des facteurs de Schmid (F.S.), selon l'orientation de l'axe de
compression, pour le glissement basai (-•-), le glissement prismatique (-•—)
et le glissement pyramidal de première espèce ( ).
-27-
plateaux de compression lors des essais à 0,5 T.. En leur absence, on note une
réaction importante de l 'échant i l lon avec l 'ac ier des plateaux.
I I . Z .4 - ÇBSERS/ATI0NS_MIÇR06RAPHigUES
Les lignes de glissement ont été observées au microscope optique,
muni d'un disposi t i f à contraste interfêrentiel de Nomarski (Nomarski et We i l l ,
1955).
Les plans de glissement et de maclage sont déterminés par l'analyse des
traces sur deux surfaces.
Les courbes contrainte-déformation sont obtenues à part i r des
enregistrements force-temps et allongement-temps de la machine de compression.
En cas de glissement simple, on obtient la contrainte projetée et le
cisaillement résolu par les formules classiques :
a = r - cos i|) cos $ s o sin (*o - <(>)
Y " cos * s in ij>
où ( à , i|)Q, $, t|j) ont leur s igni f icat ion habituelle (Fig. I I . 8 ) .
Figure 11.8 Définition àtx anglei
-28-
I I .3 - RESULTATS EXPERIMENTAUX
I I . 3 . 1 - MOPES_ÇE_pEFORMATION_OBSERl/ES
I I . 3 . 1 . a - Eubiwm (Legiand et Le Ha.zi&, 19S2)
La température de fusion T f de ce métal est de 1802 K (Spedding et
a l . , 1973). Rappelons que Terbium ne possède pas de point de transformation
allotropique avant le point de fusion.
Les températures d'essai ont été de 293 K (0,16 T f ) , 633 K (0,35 T f )
et 883 K (0,5 T f ) . Les résultats sont exposés par domaine d'orientation
(cf . Fig. I I . 7 , p. 26).
- Domaine I (favorable au glissement prismatique) : Seul, le glissement
prismatique a été observé aux trois températures d'essai.
- Domaine I I (favorable au glissement basal) : A 0,16 T f et 0,35 T f , les
échantillons se sont déformés uniquement par maclage. Le plan de macle déterminé
est (1121), ce qui s'accorde au [raclage connu suivant le système (1121) [1126].
A 0,5 T f on observe les macles déjà citées ( l lS l ) [1126] , ainsi que
du glissement basai et prismatique. L'observation des lignes de glissement
montre que le glissement basai, dans ces conditions expérimentales, est
prépondérant. Remarquons i c i que les cissions crit iques projetées (C.C.P.) sur
les systèmes basai et prismatique sont très voisines (tableau V), à cette
température. On observe une grande quantité de glissement dévié basai-
prismatique, le plan prismatique activé étant effectivement celui contenant
la direction de glissementla plus favorable au glissement basai.
- Domaine I I I (favorable au glissement pyramidal de deuxième espèce) :
A 0,35 T. et 0,5 T. l 'échant i l lon a été comprimé jusqu'à la rupture sans
déformation plastique apparente. En par t icu l ier , aucune trace de glissement
sur les systèmes pyramidaux n'a été observée. Les contraintes projetées sur les
systèmes basais et prismatiques étaient trop faibles pour déclencher ces
glissements, en raison de l 'or ientat ion de l'axe de compression, qui se trouve
â 2° de Taxe c. Nous n'avons pas f a i t l 'essai à 0,16 T., car i l est peu
probable que le glissement prismatique et le glissement basai puissent
apparaître dans cette orientation et à cette température, alors qu ' i l s ne sont
pas observés à plus haute température. I l faut cependant se garder de conclure
que le glissement pyrami ial de seconde espèce n'apparait pas dans Terbium,
car i l peut disparaître au delà d'une certaine température. Citons cinsi le
cas du magnésium, où la disparit ion vers 0,5 T f du glissement pyramidal de
-Z9-
seconde espèce, ac t i f à plus basse température, est attribuée à la décomposition
des dislocations c+î en dislocations c et a (Stohr, 1972; Stohr et Poir ier, 1972).
11.3.1.6 - PtfApt.o4.tum (Legiand zt Le. Hazii, 19821
La température de fusion est de 1683 K (Spedding et a l . , 1973).
Contrairement â Terbium, le dysprosium possède un point de transformation
allotropique H.C. * C.C. à 1554 K (0,98 T f ) (Habermann et Daane, 1964). Les
températures d'essai ont été de 293 K (0,17 T f ) , 603 K (0,35 T f ) et 813 K (0,5 T f ) .
- Domaine I : A 0,17 T f , on observe du glissement prismatique, ainsi que des
macles sur les plans (1121) et de façon moindre sur (10Î2). Ces plans s'accordent
avec les systèmes de meclage connus ( l l 2 l ) [1126] et (10Ï2) [loTT] (Rosenbaum,
1964).
A 0,35 T f et 0,5 T f , on observe le glissement prismatique.
- Domaine I I : A toutes les températures d'essai, les échantillons
commencent toujours par se déformer par maclage sur les plans ( l l 2 l ) .
A 0,17 T du glissement basai a été observé à une contrainte projetée
supérieure à 70 MPa. Toutefois, cette valeur n'est probablement pas représentative
de la contrainte d'écoulement du glissement basai, l 'échant i l lon ayant
préalablement maclé sur le système ( l l 2 l ) [1126].
A 0,35 T., l 'échant i l lon se déformant par maclage, l'essai a été
arrêté, alors que la contrainte projetée sur le plan basai é ta i t de 40 MPa.
A cette contrainte, le glissement basai n'a pas été observé.
A 0,5 T., comme précédemment, l 'échanti l lon se déforme par maclage.
La consolidation étant nu l le , l 'essai fu t arrêté, alors que l 'échanti l lon
présentait un pliage prononcé. Aucune évidence de glissement basai, prismatique
ou pyramidal, n'a été constatée.
- Domaine I I I : Les essais ont été effectués à 0,17 T f et 0,35 T f , Taxe
de compression se trouvant â 10° de Taxe c. Seul, le glissement basai a été
observé, sans trace de maclage. Bien que l 'or ientat ion so i t favorable au
glissement pyramidal, celui-ci n'a pas été décelé.
ÏÏ.3.1.C - TeAbùim (Le Hazi& Vt Lzg/uwd, 79S2)
La température de fusion de ce métal est de 1630 K, e t , comme
le dysprosium, i l possède un point de transformation allotropique H.C. î c.C.
â haute température (0,96 T . ) , (Spedding et a l . , 1973).
Au vu des résultats obtenus sur le dysprosium et Terbium, nous avons
modifié la plage de température de l 'étude. Nous avons en ef fet observé, que,
-30-
pour les deux métaux étudiés précédemment, les contraintes crit iques projetées
sont voisines pour les glissements basai et prismatique à 0,5 T , , alors qu'elles
sont notablement différentes à plus basse température. Aussi nous nous sommes
appliqués â déterminer les modes de déformation du terbium à des températures
plus basses, entre 77 K (0,05 T f ) et 573 K (0,35 T f ) .
- Domaine I : A 77 K, seul le maclage sur les plans {1151} est apparu.
Entre 77 K et 293 K (0,18 T f ) , on observe simultanément du glissement
prismatique et des macles sur les plans {1121} et {10Ï2}.
Au-delà de 293 K, seul le glissement prismatique est observé.
- Domaine I I : Le maclage n'apparaît pas sur tous les échantil lons.
Lorsqu'i l est. observé, seul le svstème ( l l 2 l ) [1126] est présent.
A 77 K, le glissement basai n'a pas été observé, alors que la
contrainte projetée sur ce plan éta i t de 265 MPa. Cet essai n'a pas donné l ieu
à l 'apparit ion de macles.
Au-dessus de cette température, le glissement basai est observé, avec
des macles (1121) [1126] à 293 K (0,18 T f ) .
Le glissement pyramidal de deuxième espèce n'étant pas l ' ob je t de
notre étude, nous n'avons pas f a i t d'essai dans le domaine I I I . Nos travaux
sur Terbium et le dysprosium nous ont en ef fet montré que cette orientation de
l 'axe de compression (proche de l'axe t) n'est guère u t i le pour l'analyse
comparative du glissement prismatique et du glissement basai.
Malgré le vide secondaire, sous lequel ces expériences ont été fa i tes ,
1'état de surface à 0,35 T- et 0,5 T. ne permet pas de faire des observations
dans de bonnes conditions.
Néanmoins les figures I I . 9 et 11.10 montrent que les lignes de
glissement, tant du système prismatique que du système basai, deviennent
sinueuses lorsqu'on dépasse la température ambiante.
Naka (1983) a obtenu des résultats très semblables pour le glissement
prismatique dans le t i tane . De plus, i l a déterminé en microscopie électronique
le plan de déviation, qui se trouve être, dans le cas du t i tane, le plan
pyramidal de première espèce.
=ob it» i j isma"i que - i-voiUTion avec :l a temperature
Er, 293 K
(x 720)
Tb, 573 K
(x 720)
Dy, 813 K
(x 720)
Er, 913 K
(x 270)
-32-
Figure 11.10 : Lignes de gIIssement basal - Evolution avec la température
Tb 573 K (x 720)
Tb, 293 K (x 720)
Er, 913 K (x 720)
-33-
Dans notre cas, après quelques tentatives infructueuses de préparation
de lames minces par polissage électrolytique et par amincissement ionique,
nous avons renoncé à la microscopie électronique. Néanmoins, comme nous l'avons
signalé pour Terbium à haute température, nous observons des déviations
plan basai •+ plan prismatique, lorsque l 'or ientat ion est favorable au glissement
basai. Lorsque l 'or ientat ion favorise le glissement prismatique, nous n'avons
pas pu trancher sur la nature du plan de déviation : plan basai ou plan
pyramidal ?
Les nombreuses observations de maclesnous ont permis de constater que
les macles { l l S l } <IÏ26> et {10Î2} <Ï011> ont une forme et une largeur bien
d is t inctes, qui les rendent aisément ident i f iables. Les macles {1012} <Î011>
sont larges et lent icu la i res, alors que les macles {1121} <Il26> sont fines
(Fig. 11.11 et 11.12). Cette observation avait déjà été fa i te dans le cas de
1'yttr ium (Carnahan et Scott, 1972), du rhénium (Jeffery et Smith, 1966) et
du cobalt (Davis et Teghtsoonian, 1962). Cette différence de forme est en bon
accord avec l'argument de Cahn (1954) qui prévoit une épaisseur de macle
inversement proportionnelle au cisaillement :
h 2o U ""sU
où h e t L sont la hauteur e t l a longueur de la macle, s le cisaillement de la
macle et a la contrainte à l 'équi l ibre dans la macle.
La macle d'éléments ^ = {1121}, n x = <ÏTZ6>, K2 = (0002), n 2 = <H20>
a un cisaillement théorique égal à a/c ^ 0,6. La valeur expérimentale est en
bon accord avec cel le-c i (Carnahan et Scott dans Y (1972), Oeffery et Smith dans
Re (1966), Read-Hill, Slippy et Buteau dans Zr (1963), Fujishiro et Edington
dans Ti (1970)).
La macle d'éléments K, = {10Î2}, n, = <Toil>, K2 = {1015} et n z = <loTl>
a un cisaillement théorique égal à 0,2, en excellent accord avec le cisaillement
expérimental obtenu dans 1'yttrium (Carnahan et Scott, 1972). Cette différence
de cisaillement entre les 2 macles explique bien la différence de forme ooservée.
La présence de maclage dans la plupart de nos essais nous empêche de
t i r e r des informations intrinsèques au glissement â par t i r des taux de
consolidation observés.
I I .4 - DISCUSSION
Rappelons que l ' ob jec t i f fondamental de ce travai l expérimental éta i t
de déterminer le mode principal de déformation des métaux de terres rares
-34-
Fîgure 11.11 : Macles {10Î2}, Tb, 293 K ( x 270)
Figure 11.12 : Macles {1121}, Tb, 293 K (x 720)
-35-
êtudiés, et de voir l ' in f luence éventuelle d'un point de transformation H.C. + C.C.
(présent dans Dy et non dans Er) sur le comportement plastique.
Pour analyser les résultats concernant les t ro is métaux étudiés, nous
comparerons les valeurs réduites définies ainsi : :: C C P
a : rapport ' ' • ', où C.C.P. est la contrainte cr i t ique projetée et v le
module élastique approprié ( C 4 4 pour le glissement basai et C 6 6 pour le
glissement prismatique). T" = T/T- où T- est la température absolue de fusion du métal considéré.
Sur la f igure 11.13 et le tableau V sont portées les valeurs de a" en
fonction de T" pour les t ro is métaux.
Le point fondamental, qui ressort de cette étude, est que le glissement
principal dans les t ro is métaux étudiés est le glissement prismatique {10Ï0}<1120>.
On note de plus que :
- pour le glissement prismatique : à l 'exception de la portion de courbe
inférieure à 0,35 T- re lat ive au terbium, on peut raisonnablement porter les
points a" = f (T") sur une courbe moyenne pour les t ro is métaux. Ceci rend
compte d'un comportement global identique. L'écart à la courbe moyenne observé
dans le terbium pourrait être l i é à la présence d'une grande quantité d'oxygène
dans nos échantillons (= 2%). Ceci est à rapprocher de l 'évolution de la
contrainte crit ique du glissement prismatique dans le t i tane, suivant sa teneur
en oxygène (Naka, 1983).
- Pour le glissement basai, les quelques points expérimentaux disponibles
pour Dy et Er se placent bien sur la courbe a" = f (T") tracée pour le terbium
(Fig. 11.14). La bosse, ou du moins le palier observé entre 0,15 T- et 0,3 T,
pour le terbium, peut être due à un effet d'impuretés comme dans le cas du
glissement prismatique, ou bien à un effet intrinsèque, te l qu'un blocage
thermiquement activé des dislocations vis selon un mécanisme déjà proposé par
Régnier et Dupouy (1970) dans le cas du béryll ium. L'absence de points
expérimentaux (en raison du maclage) dans ce domaine de température pour Er et
Dy ne permet pas de savoir si cette bosse est caractéristique du terbium, moins
pur que nos échantillons de dysprosium ou d'erbium, ou plus générale.
Rappelons i c i les résultats obtenus par Tchupyatova et a l . (1974) sur
des monocristaux de terbium de plus haute pureté (99,99? en poids). Les essais
ont eu l ieu en tension, à température ambiante. Ces auteurs trouvent, selon
l 'or ientat ion de l'axe de tension, du maclage suivant le plan {10Ï2} pour un
axe proche de la direct ion c, du glissement basai et du glissement prismatique.
-36-
tfw
Figure 11.13 : a* « f (T* ) pour Oy, Er, Tb
Figura I I .14 : a = f (T )
pour Tb
t
- 1 ERBIUM
\
l\\ i \ .1 .
• fUmtMBt pdimMIqua
\
l\\ i \ .1 .
\
l\\ i \ .1 .
««mm
\
l\\ i \ .1 .
• BCM« 1 min .< min l
^ ~ ^
125 I » 315 500
TABLEAU V : Valeurs normalisées en o/u des C.C.P. des glissements dans Tb, Dy et Er
\ 3
T / T f Tb
0,16
Dy Er Tb
0.35
Dy Er Tb
0,50
Dy Er
°P 2.1 0,7 0,8 0,6 0.5 0,5 - 0,45 0,6 °P 2.1 0,7 0,8 0,6 0.5 0,5 - 0,45
°B 2,4 3 >2,6* 1.4 1,7 >2 ,3* - - 0,6
°TT2 - >13* >2,6 - >4,3* >7* - >1,3* >4*
Une limite inférieure de la C.C.P. est donnée quand le glissement n'a pas été observé.
-37-
Aucune valeur des contraintes crit iques n'est reportée, mais les courbes C-E
semblent montrer que le glissement prismatique se déclenche à des contraintes
plus basses que le glissement basai. I l est â noter que le durcissement dans
le cas du glissement prismatique, est heaucoup plus élevé (15 à 20 kgf/mm)
que dans le cas du glissement basai, où les auteurs ne mentionnent aucun
durcissement notable.
Ces résultats, assez incomplets, ne permettaient pas de trancher sur
la nature du système de glissement primaire dans le terbium (Poirier et
Le Hazif, 1976). En f a i t , si on note que la température ambiante (précisément
cel le des essais de Tchupyatova et a l . ) est, dans le domaine inférieur à 0,3 T , ,
cel le où le glissement prismatique et le glissement basai apparaissent aux
contraintes les plus proches, on conçoit qu ' i l y a i t ambiguitë sur la
détermination du système de glissement primaire à pa r t i r de ce seul a r t i c l e .
L'ambiguité é ta i t accentuée par le f a i t que le glissement basai présentait un
moindre durcissement que le glissement prismatique. Cependant, les mesures de
durcissement, tant dans l 'étude de Tchupyatova et a l . que dans la nôtre, sont
fortement influencées par l 'appari t ion du maclage. Si l ' in teract ion glissement-
maclage est encore lo in d 'être comprise, malgré des études en microscopie
électronique (Coujou, 1981; Mori et Fuj i ta, 1980; Mahajan, Brasen et Wakiyama,
1978), i l est probable qu 'e l le contribue à durcir le métal. Or, le glissement
prismatique, dans l'étude de Pchupyatova et a l . , est accompagné de maclage,
alors que le glissement basai est observé comme seul mode de déformation.
Ceci peut expliquer les différences de taux de consolidation, observées entre
les deux glissements.
L'apparition fréquente du maclage montre que c'est un mode de
déformation important. Nous avons observé que le système de maclage prédominant
est (1121) [TÏ26], avec un système secondaire (10Î2) [ T o n ] . Nous n'avons pas
mis en évidence de contrainte crit ique de maclage. L'apparition de ce mode de
déformation dépend fortement de l 'or ientat ion. Nous montrons dans l'annexe I I ,
q u ' i l existe des secteurs dans le triangle stérêographique, oû le maclage produit
une tension. Lorsque l 'axe de compression se trouve dans un de ces secteurs, le
maclage ne peut accomoder la déformation imposée. Nos résultats expérimentaux
montrent qu ' i l n'y a effectivement pas de maclage { l l 3 l } et {10Î2} pour les
orientations de Taxe de compression proches de l 'axe t- Ceci est en accord
avec les résultats obtenus par Churchman (1960), Geach, Jeffery et Smith (1962)
et Kopetskiy et a l . (1975) sur Re, ainsi que ceux de Carnahan et Scott (1973)
sur 1 'yt t r ium.
-38-
L'analyse de Jaswon et Dove (1957, 1959, 1960) prévoit que le
système de maclage, qui possède le cisaillement le plus fa ib le , est le système
dominant. Cette analyse ne s'applique cependant pas â des structures à motif
mult iple dans la maille comme la structure hexagonale. I l faut alors t j n i r
compte des réarrangements atomiques ("shuffle") dans le motif, qui seraient
particulièrement simples dans le cas de la macle (1121) (Bilby et Crocker, 1965;
Bevis et Crocker, 1968, 1969).
Les fac i l i tés relat ives de maclage, et leur rapport avec le glissement
primaire observé, restent cependant inexpliquées malgré une corrélation souvent
f a i t e entre glissement basai et macle {10Î2} et de même glissement prismatique
et macle {1121} (Carnahan et Scott, 1973).
L'apparition du maclage {1121} pourra peut-être trouver son explication
dans la structure du coeur des dislocations i <TÏ23> (Hinonishi et a l . , 1981, 1982) i J
En simulant le coeur des dislocations coin -j<1123> {1122} avec un potentiel de
Lennard-Jones, ces auteurs ont trouvé qu ' i l est constitué de deux motifs de macle,
l 'un sur (1122), l 'autre sur (1121) (Fig. I I . 15 ) . Cette structure ne se retrouve
pas pour la dislocation vis •*• <ÏÏ23>. Celle-ci possède des configurations,
d'énergies très voisines, étalées sur les plans {1122}, {1011} ou une
combinaison des deux. En faisant une étude sous contrainte, les auteurs ont
obtenu les résultats exposés tableau VI , où un sens négatif (pos i t i f ) de la
contrainte s igni f ie un sens de cisaillement suivant {1122} ou {1011}, qui met
Taxe c en compression (tension).
La relation entre le maclage suivant les plans {112n} et les
dislocations -j <ÏT23> avait déjà été suggérée par Rosenbaum (1964) et
Mendelson (1969-1970).
La forte dépendance des structures de coeur obtenues selon les
conditions techniques de la simulation (configuration i n i t i a l e , conditions aux
l imites) montre que la compréhension du maclage dans les métaux hexagonaux est
encore un problème ouvert (Minonishi, Ishioka, Koiwa et Morozumi, 1982).
I I . 5 - CONCLUSION DE L'ETUDE EXPERIMENTALE
Pour conclure cette étude expérimentale, nous retiendrons les
observations suivantes :
a) Les t ro is métaux de terres rares étudiés ont un comportement comparable.
Alors que le cr i tère de Régnier et Dupouy (1970) suggère que l'absence de
-39-
Fîgure 11.15 : Structure de coeur des dislocations coin - <ÏÏ23> {1122}
(Minonishi et al., 1981)
[ÏÏ23] ( 1 Ï 0 0 )
TABLEAU VI : Comportement des d is loca t ions •? <TÏ23> sous con t ra in te
(Minonishi e t a l . , 1982)
^ v Sens de la ^s^ontrainte
Caractère de la > v
dislocation > v
Négatif Positif
Coin iï i22} glissement sur {1122} mac 1 age sur {1121} o u glissement sur {1122}
Vis gl Issement sur {1122} glissement sur {10*1}
-40-
transformation H.C. •* C.C. dans Terbium la issera i t prévoir un glissement .
prismatique d i f f i c i l e dans ce métal, la simil i tude du comportement de Terbium
et du dysprosium infirme cette corrélation. Rappelons que le ruthénium é t a i t
déjà un cas fo r t gênant pour ce cr i tère.
b) A la vue des résultats expérimentaux obtenus sur t ro is métaux de terres
rares, on peut raisonnablement penser que le glissement prismatique fac i le est
une propriété de tous les métaux H.C. de cette sér ie. Si on considère que ces
métaux ont un remplissage de la bande d situé entre celui de Tyt t r ium et celui
du t i t an» , du zirconium et de Thafnium, on s'aperçoit que le glissement prismati
que fac i le est une propriété commune à tous les métaux H.C. ayant entre 1,5 et
3 électrons d.
c) Bien que l'importance du maclage et des impuretés soit grande, i l ne
semble pas qu'elle puisse inverser les fac i l i t és relatives des glissements
basai et prismatique.
d) Constatant qu'aucun des critères rappelés en 1.2 ne résiste à la
confrontation de l'ensemble des résultats expérimentaux, nous allons nous
appuyer sur deux idées simples, pour dir iger notre recherche d'une explication
satisfaisante pour l'ensemble des métaux H.C. :
1) La f a c i l i t é de glissement sur un système est une propriété
isoélectronique : tous les métaux H.C. divalents glissent sans exception sur le
plan de base : Be, Mg, Zn, Cd. Le glissement prismatique faci le n'est observé
que dans les métaux de t ransi t ion et les métaux de terres rares, et seulement
pour certains remplissage de la bande d :
- pour 1,5 < Z. < 3 : Y, T i , Zr, Hf et les métaux de terres rares
- pour Z . = 7 : Ru
2) La complexité du choix du système de glissement inci te â un
rapprochement avec les métaux de structure cubique centrée, où la détermination
du plan de glissement a longtemps été un sujet controversé. Nous allons analyser
dans le chapitre suivant les richesses et les l imites de cette analogie, et
l'importance de la remarque précédente sur le comportement isoêlectronique des
métaux H.C.
-41-
C H A P I T R E I I I
ANALOGIE AVEC LES MÉTAUX CUBIQUES CENTRÉS
ET DIFFÉRENCE ENTRE LES MÉTAUX "NORMAUX"
ET LES MÉTAUX DE TRANSITION
I I I .1 - RAPPELS 5UR LES METAUX DE STRUCTURE C.C.
La déformation plastique des métaux C.C. présente un certain nombre
de caractéristiques, qui ont été rattachées à des modèles non planaires du
coeur des dislocations vis i < l l 1 > . Rappelons ces caractéristiques :
- forte dépendance de la contrainte d'écoulement envers la température
et 1'orientation;
- variation de la géométrie même du glissement suivant l 'or ientat ion et
le sens de la contrainte appliquée (Christian, 1970).
La microscopie électronique in-s i tu a révélé que la déformation à
basse température dans les métaux C.C. est contrôlée par le mouvement des
dislocations vis • j < H l > > qui restent recti l ignes durant leur déplacement
(Lou:het, 1976). Ce f a i t montre clairement que c'est la résistance intrinsèque
du réseau sur les dislocations v i s , qui contrôle la déformation.
Hirsch (1960) a été, à notre connaissance, le premier à proposer
une structure non planaire du coeur des dislocations v i s , dissociées sur
3 plans (112). D'autres schémas de dissociation ont été suggérés :
- sur deux plans (112) : Sleeswyck (1963)
- sur t rois plans (110) : Kroupa (1963)
TDUÏ ces modèles s'appuient sur le f a i t que la direct ion < n i > de la dislocation
vis 2 < l l l > est un axe de symétrie ternaire. La dissociation sur plusieurs
plans, propre aux dislocations v is , permet d'expliquer le glissement comme
une succession de passages : position sessile dissociée + position g l i ss i l e
recombinée; ce passage est thermiquement activé et dépend de l 'or ientat ion
(Escaig, 1968; Kubin, 1971).
-42-
Cependant, Vitek (1968) et Basinski, Duesbery et Taylor (1970) ont
obtenu que, pour tous les potentiels interatomiques ut i l isés dans leur étude,
i l n'existe pas de faute unicouche stable sur les plans (110) et (112).
Les simulations du coeur des dislocations vis - < l l l > ont montré,
que le concept de dissociation n'est pas valide dans ce cas, mais qu ' i l est
plus opportun de parler d'étalement du coeur sur t ro is plans (110); (pour
une revue, voir les ar t ic les de Vitek (1974), Puis (1980), Takeuchi (1980)).
Cette configuration peut se modèliser par des distributions continues
de vecteurs de Burgers sur les plans d'étalement. Suivant le potentiel u t i l i s é ,
on obtient une configuration de coeur dégénérée (Vitek et a l . , 1970; Basinski
et a l . , 1970) ou non dégénérée (Takeuchi, 1979; Sato et Masuda, 1979). Quel
que soi t le cas, la configuration obtenue est sessi le. Le mécanisme qui
contrôle la déformation est toujours la transformation d'une configuration
sessile stable en une configuration g l iss i le mëtastable.
Ce mécanisme est dénommé mécanisme de Peierls, du f a i t que c'est une
force intrinsèque au réseau, qui s'oppose au mouvement des dislocation v i s .
Cette appellation est cependant abusive, car, dans le modèle original de
Peierls (1940), les cols d'énergies sont dus aux différences d'énergie de la
dislocation suivant la posit ion de ce l le -c i . Dans le modèle de la t rans i t ion
sessile •* g l i ss i l e , les cols sont dus aux différences d'énergie entre deux
configurations de coeur pour une même position de la dislocation.
Pour conclure ce rappel sur les métaux de structure cubique centrée,
insistons sur le f a i t que la structure non planaire du coeur des dislocations
v i s ' 2 < l l l > a une origine essentiellement géométrique. La symétrie ternaire
de la ligne de dislocation permet de prévoir un étalement sur t ro is plans
symétriques. Cette origine géométrique permet de comprendre pourquoi les
différences entre les potentiels interatomiques choisis par divers
auteurs (Vitek et a l . , 1970; Duesbery et a l . , 1973; Basinski et a l . , 1970;
Chang, 1967; Diener et a l . , 1971; Rabier, 1971; Suzuki, 1968, Minami et a l . , 1972)
ne modifient que faiblement les propriétés de coeur. De même, la non-stabi l i té
des fautes unicouches sur les plans (110) et (112) ne semble pas dépendre des
potentiels ut i l isés (Vitek, 1968; Papon, 1979).
-43-
III.2 - ANALOGIE ENTRE METAUX H.C. ET METAUX C.C.
La déformation des métaux H.C. à glissement basai facile a souvent
été comparée à celle des métaux C.F.C. (Poirier et Le Hazif, 1976). On y
retrouve les mêmes stades de consolidation, et les mêmes configurations de
dislocation. Ceci est principalement dû à la similitude géométrique des plans
de glissement (0001) dans la structure H.C. et {111} dans la structure C.F.C.
En ce qui concerne le glissement prismatique facile, certains auteurs
ont noté une grande.similitude entre ses propriétés et celles du glissement
dans les métaux C.C. (Reed-Hill, 1972; Sob, 1974; Bacon et Martin, 1976;
Naka, 1983) :
- forte dépendance de la contrainte d'écoulement envers la température;
- écart à la loi de Schmid (Sakai et Fine, 1974 dans Ti-Al; Naka, 1983
dans Ti);
- glissement contrôlé par le mouvement des dislocations vis, qui restent
rectilignes (Naka, 1983 dans Ti).
On peut aisément expliquer le passage d'une similitude à l'autre (C.F.C. •* C.C.)
en considérant que :
- dans le premier cas, les dislocations vis (et coin) sont étalées ou
dissociées de manière planaire dans le plan de base;
- dans le second cas, les dislocations vis ont une structure de coeur
non planaire avec un étalement prépondérant dans le plan prismatique (Sob,
1974; Naka, 1983). La limite de l'analogie avec les C.C. apparaît clairement :
alors que la direction <ni> des dislocations vis est un axe de symétrie
ternaire dans les C.C, il n'en est pas de même dans les métaux H.C. Nous
avons rappelé en III.l que les modèles d'étalement non planaire dans les C.C.
se fondent sur cet argument de symétrie. Dans les métaux H.C, il ne peut y
avoir étalement non planaire que sur des plans cristallographiquement différents.
Cette compétition entre différents plans, tant pour expliquer le
choix entre le glissement basai et le glissement prismatique, que pour
justifier une éventuelle structure de coeur non planaire dans le cas du
glissement prismatique facile, sera certainement sensible à la nature de la
liaison atomique. Ainsi les simulations du coeur des dislocations dans les
métaux H.C. seront très dépendantes du type de potentiels interatomiques
utilisés, contrairement au cas des métaux C.C.
-44-
III.3 - DIFFERENCE ENTRE LES METAUX "NORMAUX" ET LES METAUX DE
TRANSITION
Rappelons i c i la constatation que nous avons fa i te sur la nature
isoëlectronique du glissement dans les métaux hexagonaux compacts : tous
les métaux "normaux" glissent sur le plan de base, alors que les métaux de
transi t ion H.C. ont un comportement qui dépend du remplissage de la bande d.
Dans la suite de ce t rava i l , nous allons essayer de montrer que
c'est cette différence de nature de la structure électronique qui va jouer
sur la f ac i l i t é re lat ive de l'étalement du coeur des dislocations suivant les
plans basai et prismatique.
Avant de déboucher sur Tes structures de coeur possibles, nous
admettrons que le rapport des énergies de faute basale et prismatique est un
bon guide pour juger de l'importance de l'étalement dans chaque plan. La
remarque précédente montre qu ' i l est essentiel de prendre en compte la
structure électronique dans ces calculs d'énergie de faute.
Ainsi , nous allons séparer, dans deux chapitres bien dist incts :
- le calcul , dans les métaux "normaux", des énergies de faute basale
e t prismatique à 0 K, en u t i l i san t des pseudopotentiels adaptés à ces métaux
(Chapitre IV);
- le calcul dans les métaux de transi t ion des mêmes quantités, avec un
modèle de l iaison forte qui décrit correctement les propriétés de cohésion de
ces métaux (Friedel, 1969; Ducastelle, 1970) : Chapitre V. Ce modèle nous
permettra de décrire la structure du coeur des dislocations vis - J < 1 1 2 0 > dans
î le t i tane, qui est un métal â glissement prismatique faci le : Chapitre V I .
-45-
C H A P I T R E IV
CALCUL DES ÉNERGIES DE FAUTE ET STRUCTURE
DE COEUR DANS LES MÉTAUX "NORMAUX"
IV.1 - RAPPELS SUR LES INTERACTIONS DE PAIRE
L'énergie totale du cr is ta l peut se mettre sous la forme du
développement suivant, pour les métaux "normaux" :
E = E +E E. + S W (R. ) + . . . . i i < j J
(Harrison, 1953; Pick et Sarma, 1964; Blandin, Friedel et Saada, 1966). Tous
ces termes varient avec le volume moyen par atome. A volume constant, E est
une constante et E-, qui ne dépend que de la nature du i e m e atome, est
constant dans un métal pur. Dans ce cas, E s'exprime comme une somme d'énergie
d' interact ion de paires W(R- - ) , tenant compte de l'ensemble des interactions
( ion- ion, ion-électron et électron-électron).
La formule ci-dessus est obtenue en u t i l i san t la méthode des ondes
planes orthogonalisées, et des pseudopotentiels au deuxième ordre en perturbation.
Les termes suivants du développement, qui font intervenir des
interactions à plus de deux atomes, peuvent être négligés lorsque le pouvoir
diffusant des atomes est fa ib le (Pick et Blandin, 1964).
Cette expression de l'énergie totale sera spécialement valable
pour calculer des énergies de défaut, où le volume reste constant (cas des
fautes d'empilement non relaxées obtenues par cisai l lement). Lorsqu'il y a
des variations de volume (dues par exemple â la relaxation) les valeurs obtenues
sont certainement moins bonnes.
Outre ce type d' interact ion de paires j u s t i f i é par la théorie des
pseudopotentiels, les simulations numériques ont popularisé l'emploi de
-46-
potentiels de paires empiriques ou semi-empiriques. Parmi ces derniers, citons
les potentiels de Lennard-Jones, de la forme :
H 1 2 ^ 6
V(r) = e [(£) - 2(£) ]
Cette expression jest justifiée dans le cas des gaz rares, où l'interaction de
Van der Waals est le terme essentiel de la partie attractive. Son emploi pour
les métaux à couche non saturée relève par contre ds l'empirisme. Nous le
mentionnons néanmoins, car il a été utilisé pour les simulations de coeur des
dislocations i <1120> et i <TÎ23> dans les métaux H.C. (Bacon et Martin, 1981;
Minonishi et al., 1981).
La popularité de ces potentiels empiriques est due aux difficultés
d'employer en simulation les pseudopotentiels, dont les oscillations sont à
longue portée. Evitant le délicat problême du rayon de coupure du potentiel,
Blandin, Friedel et Saada (1966) ont regroupé les interactions atomiques sous
forme d'interaction de plans. Ceci permet de faire des sommes exactes de ces
interactions dans le cas des fautes non relaxées obtenues par cisaillement
(faute 17, 2V, 3V dans la structure H . C ) . De même Suzuki (1967) et Rabier (1971)
ont utilisé des interactions de rangées pour étudier le coeur des dislocations
dans les structures C.F.C. et C.C..
Cependant, pour permettre une relaxation atome par atome dans les
trois directions, on ne peut pas utiliser ces regroupements d'interactions,
qui nécessitent une périodicité suivant une ou deux directions.
Nous avons adopté dans les calculs qui suivent lajiëthode de sommation
des énergies d'interaction entre atomes individuels. Les résultats obtenus
dépendent fortement du rayon de coupure du potentiel. Celui-ci a été pris égal
à 3,5a, mais nous avons vérifié en étudiant la variation des énergies de faute
en fonction de ce rayon de coupure que les valeurs des énergies calculées ne
diffèrent au plus que de 30 % par rapport aux valeurs asymptotiques prévues pour
r c infini (annexe III).
Les pseudopotfntiels utilisés dans cette étude sont présentés en
annexe III, ainsi que les potentiels de Lennard-Jones (Bacon et Martin, 1981)
repris dans ce travail.
-47-
I V . 2 - FAUTE BA5ALE
Nous avons u t i l i sé la méthode des "surfaces-y", présentée par Vitek
(1968) dans les métaux C.F.C. et C.C.. Celle-ci consiste à calculer toutes les
fautes d'empilement intrinsèques sur le plan considéré.
Le plan est déf ini par deux vecteurs a\ et a 2 - La faute est obtenue
en coupant le cr istal suivant ce plan, et en déplaçant la partie supérieure
par rapport â la partie inférieure d'un vecteur :
f" = x a, t y a . 0 < x < l 0 < y < l
Le vecteur ? parcourt donc l'ensemble de la section basale de la cel lule de
Wigner Seitz (Fig. IV.1). Dans ce calcul nous autorisons une relaxation
perpendiculaire au plan de faute, de manière r igide : i l s 'agi t d'une relaxation
plan sur plan, et non atome par atome.
L'énergie de faute :
Y = E - E ' o
où E est l'énergie du c r is ta l avec défaut et E l 'énergie du cr is ta l pa r fa i t ,
est calculée pour des (x,y) variant entre 0 et 1. En portant la valeur de
l 'énergie de faute Y(XJV) en fonction de x et y , on obtient une surface appelée
"surface-y".
Nous avons u t i l i sé les pseudopotentiels présentés dans l'annexe I I I ,
qui sont respectivement adaptés â Be (Duesbery et Taylor, 1979), Mg (Dagens,
Rasolt et Taylor, 1975), Zn et Cd (Animalu et Heine, 1965), ainsi que les
potentiels de Lennard-Oones, LJ5 et LJ6, employés par Bacon et Martin (1981).
La figure IV.2 montre les surfaces-y obtenues pour Mg (a), et
avec le potentiel LJ6 (b) .
La forme de la surface-y évolue peu, selon le potentiel u t i l i sé : on
observe toujours un minimum bien marqué pour la faute de Shock!ey (faute
intrinsèque 27 d'après la notation de Frank et Nicholas, 1953). L'al lure de cette
surface est semblable à cel le trouvée par Vitek (1968, 1975) pour les plans (111)
des métaux C.F.C. Cette simi l i tude est due â la structure compacte identique
de ces deux plans et peut être prévue par un simple modèle de sphères dures.
-48 -
Figure IV.1 : Sect ion du plan basal parcourue
par le vecteur de fau te .
ï ^ t i i s a i
!«-3nElB]
Figure V I .2 : Surfaces-y basales re laxées.
(a) Mo
(b) LJ6
rii/a'l
•A'* ^* ms.
1 *
~j\)H/ '
•-*r H ï^gr"
-49-
Les différences d'amplitudecentre-notre carte, obtenue avec le
potentiel L.06, et celle de Bacon et Liang (1980) viennent de la possibi l i té dans
notre calcul d'une relaxation perpendiculaire au plan de faute, alors que Bacon
et Liang montrent une carte non relaxée.
Comme un modèle de sphères dures permet de le prévoir, la relaxation
n'est f o r te , que lorsque l 'énergie de faute est élevée. La faute 2V, par contre,
est toujours obtenue avec une relaxation nulle. Rappelons que les relaxations
entraînent une variation de volume, ce qui compromet la val id i té de
l 'évaluation de l'énergie de faute avec des pseudopotentiels, valable â
volume constant. Néanmoins, cette l imitat ion n ' interv ient que pour des fautes
à for te relaxation, et hautement énergétiques, donc sans grande s igni f icat ion
physique.
Les valeurs obtenues pour la faute 2? (Tableau VII) sont en bon
accord avec celles calculées par d'autres auteurs (Beissner, 1973; Devlin, 1974;
Simon, 1979, Cousins, 1980; Bacon et Liang, 1980). Les valeurs plus élevées
obtenues par Blandin et a l . (1966) sont principalement dues à l'emploi d'une
charge ionique égale â la valence, alors que les autres calculs u t i l i sent des
pseudopotentiels plus raff inés (Friedel, 1983).
2
TABLEAU VII : Valeur en erg/cm des fautes basales ( F . B . ) , des fautes
prismatiques (F .P . ) e t du rapport R = (C_, x F.B.) /CC, 4 x F.P.)
dans les métaux "normaux" e t avec les p o t e n t i e l s LJ5 e t LJ6.
Be Mg Zn Cd LJ5 LJB
F.B. 390 30 35 15
F.P. 620 125 210 150
HMb/F.B. 100 195 350 445 125 435
CE6«b/F.P. SB 45 65 B5 50 50
R .S .25 .25 .2 .4 . 1
-50-
IV.3 - FAUTE PRISMATIQUE
Les surfaces y sont obtenues par la même méthode, et avec les mêmes
potentiels, le vecteur de faute parcourant cette fois-ci la section prismatique
de la cellule de Wigner-Seitz (Fig. IV.3).
Les empilements des plans prismatiques {1010} étant de la forme
ABCDABCD... (Fig. IV.4), il y a deux plans de coupure non équivalents :
- entre A et B (ou entre C et D), la distance interplanaire est ai/376;
- entre B et C (ou entre D et A), la distance interplanaire est a/373.
Comme un modèle de sphères dures le laisse prévoir, les énergies de faute, dans
le premier cas, sont beaucoup plus importantes, de même que les relaxations
perpendiculaires au plan de faute.
La figure IV.5 montre les surfaces-y obtenues :
a) avec le potentiel LJ5, le plan de coupure étant entre A et B;
b) avec le même potentiel, le plan de coupure étant entre B et C.
Les résultats suivants sont relatifs à des plans de coupure se situant
entre B et C.
La forme des surfaces-y varie très peu avec le potentiel utilisé
(Fig. IV.6 à comparer â la figure IV.5b). Ces surfaces présentent une grande
analogie avec la surface y des plans (112) des métaux cubiques centrés (Vitek,
1968; Beauchamp, 1978), qui ont une maille rectangulaire comparable. On n'observe
cependant pas d'asymétrie suivant le signe du déplacement dans la direction
<1120>, analogue â celle obtenue dans les plans (112) suivant la direction <llï>
(Vitek, 1968; Basinski et al., 1970). Beauchamp et Grilhé (1977) ont montré,
sur ce point, que cette asymétrie ne peut pas apparaître lorsqu'on utilise des
potentiels de paires, sans autoriser une relaxation perpendiculaire au plan de
faute. Ces auteurs en concluent qu'il est peu probable que cette asymétrie, due
uniquement à la relaxation perpendiculaire, soit reliée à l'asymétrie classique :
sens du maclage - sens opposé au maclage.
Le point remarquable des surfaces-y sur le plan prismatique est
l'absence de minimum, caractéristique d'une faute stable, telle que celle obtenue
sur le plan basai.
-51-
Figure IV.3 : Section du plan prismatique, parcourue par le vecteur de faute.
) X-
caean o +
O A + B XC • D
-X à-
1^3C1120]
Figura IV.4 : Empilement des plans prismatiques ABCOABCD.
a<T
a » Q • o « a «"QCII91 Q
d • m » g n g w-o
+ (i K o « on p m i
à < a * g M o
M a w o y O y o
* * -o ? ?
1 1 1
o O o (1 o o
< ( ( o (1 o
( < < <> o o
c 1 d 0 A 8 CO A 3
O A X c • o
- I . .
-52-
Figure IV.5 : Surface-y prismatique relaxée.
a) Avec le potentiel LJ5 faute entre A et B.
b) Avec le potentiel LJ5 faute entre 3 et C.
Figure IV.6 : Surface-y prismatique relaxée avec le potentiel LJ6 faute entre B et C.
-53-
Les relaxations perpendiculaires au plan de faute sont très
importantes (quelques dixièmes de distance interatomique) pour les fautes à
énergie élevée. De plus, les valeurs obtenues dans ce cas sont fortement
entachées d' incertitude par la var iat ion de volume induite par la relaxation.
Le deuxième point important est le suivant : lorsque le plan de
coupure est entre B et C, les fautes de vecteurs^- <I120>, colinëairesà la
direct ion compacte <112D>, sont de basse énergie, et ne nécessitent qu'une
fa ib le relaxation (quelques centièmes de distance interatomique, voir tableau VI I I ,
Ceci inc i te â introduire la notion de dissociation généralisée dans le plan
prismatique, notion originalement présentée par Peierls (1940) et reprise par
Fontaine (1968) dans les solides ioniques, puis par Vitek (1969) dans les
métaux C.C..
TABLEAU VII I : Valeur des relaxations pour les fautes prismatiques.
^_^ Vecteur de ^"""-^faute
Potent i e l^^*-~»^^ 0,1b 0,2b 0,3b 0,4b 0,5b
3e 0,00b 0,01b 0,04b 0,06b 0,03b
Mg 0,01b 0,04b 0,08b 0,09b 0,11b
LJ5 0,01b 0,04b 0,07b ., 0,09b 0,10b
LJ6 0,02b 0,05b 0,07b 0,09b 0,10b
Le vecteur de Burgers È = i < m o > se dissocie en une distr ibut ion continue
de vecteurs de Burgers XD" avec 0 < x < 1 , de densité. e(x) te l le que :
/ e ( x ) (xb) dx = b
L'étalement de cette d ist r ibut ion dépend étroitement de la d is t r ibut ion
des énergies de faute : y (xb). Pour caractériser ce l l e - c i , nous adopterons,
comme énergie de la "faute prismatique", la valeur à mi-hauteur :
-54-
| [ Y (0,2 b) + Y (0,3 b)]
Remarquons que cette énergie est très proche de cel le, issue du modèle
de Régnier : y (0,33 b) .
Nous portons, dans le tableau IX, la valeur I mi-hauteur définie
ci-dessus, et les valeurs des modèles de Régnier et de Tyson (voir 1.2.3). Ces
deux modèles conduisent â des énergies comparables, et à une même absence de
s tab i l i t é de la faute !
TABLEAU IX : Valeur des énergies de faute prismatique.
^*~"--^^ Faute
Potentiel"^— Mi-hauteur Modèle de Régnier Modèle de .yson
Be (erg/cm") 620 905 900
2 Mg (erg/cm ) 125 165 160
LJ5 (E /a 2) 0
0,34 1,10 1,10
Uô (e /a2) 0
0,32 1,05 1 ' T
Toutes ces valeurs sont obtenues lorsque le plan de coupure est entre
B et C. Dans le tableau X, nous mentionnons les valeurs des énergies et des
relaxations calculées avec le potentiel LJ5, lorsque la coupure se situe entre
A et B, et entre B et C. Les énergies et les relaxations sont environ deux
fo is plus fortes dans le premier cas; pour cette raison, nous ne l'avons pus
envisagé dans les calculs f a i t s avec les autres potentiels.
-55 -
TABLEAU X : Energie de faute et valeur des relaxations, pour la faute
prismatique avec le potentiel LJ5 : a) cisaillement entre A et B
b) cisaillement entre B et C.
A : B B : C
Energie (E /a ) 0
1,93 0,54
Relaxation pour
t = 0,2b 0,10b 0,C4b
Relaxation pour
? = 0,3b 0,15b o,:?b
I V . 4 - COMPARAISON DE LA FAUTE BA5ALE ET DE LA FAUTE PRISMATIQUE
Nous reportons dans le tableau VII, p. 49, les valeurs des énergies
de faute basale, prismatique et les quantités sans dimension : —, où u est
le module de cisaillement dans le plan considéré et dans la direction du
vecteur de Burgers.
y = C-. pour la faute basai
y = C 6 6 pour la faute prismatique
Nous donnons enfin la valeur du rapport R = rbasal °66 "^prismatique 44
Le facteur d'anisotropic A = C 4 4 / C g 6 étant proche de 1, sauf pour Zn et Cd
(Tableau III), la correction du rapport des énergies de faute par ce facteur
n'est pas essentielle, et ne modifie pas la conclusion suivante :
Dans tous les métaux divalents, l'énergie de faute basale est
largement inférieure à l'énergie de la faute prismatique (i.e. R < 1).
-56-
La distance d'équilibre d entre deux dislocations partielles de
vecteurs de Burgers b, et b~, séparées par un ruban de faute d'énergie y,
est donnée en élasticité par :
i i a " 2 il y -K
où u est le module élastique approprié et K = 1 ou 1-v suivant le caractère vis
ou coin de la dislocation.
Nous portons dans le tableau XI la "largeur" d'une dislocation vis dans
le plan de base et dans le plan prismatique, en adoptant dans ce dernier cas :
b. = o"/4 et b- = 3b/4, valeurs qui reflètent la valeur à mi-hauteur de la
surface-r dans le plan prismatique.
TABLEAU XI : "Largeur" d'une dislocation vis dans le plan de base et dans le
plan prismatique.
^^""--^Plan de dissociation
Pote nt i el'~*"~~-»^.
Largeur dans le plan de base
Largeur dans le plan prismatique
Be 3,5b 1,50b
Mg 6,9b 1,45b
Zn 12,3b 2,65b
Cd 15,7b 2,65b
LJ5 4,4b 1,50b
LJ5 17,5b l,5Cb
Ce calcul, certes très schématique, montre bien que dans tous les
métaux divalents, les dislocations vis de vecteur de Burgers •? <I120> sont
dissociées ou largement étalées sur le plan basai. Ceci est en excellent accord
avec le glissement basai primaire observé dans tous ces métaux.
-57-
Avant d'analyser dans le paragraphe suivant les résultats obtenus
par Bacon et Martin (1981) dans leur étude du coeur des dislocations vis et
coin i <1120>, mentionnons ceci : leur simulation a été effectuée avec un
potentiel empirique d' interaction de paires.Ce potentiel de Lennard-Jones,
nommé LJ5 ou LJ6 suivant le rayon de coupure, conduit respectivement aux rapports
p - Faute basaie 66 . ^ R " Faute prismatique" 7 ^ s u i v a n t s
R = 0,4 pour LJ5
R = 0,1 pour LJ6 (Tableau VII)
Ces rapports sont très voisins de ceux obtenus avec les pseudopotentiels
pour les métaux divalents (Tableau V I I ) . I ls doivent raisonnablement conduire à
un glissement basai fac i le .
L 'object i f de Bacon et Martin, qui é ta i t de comprendre, à l 'aide d'une
description atomique, l 'appari t ion du glissement prismatique comme glissement
primaire, ne pouvait donc être a t te in t avec ce type de potent ie l .
Nous concluerons ce paragraphe sur la remarque suivante : i l semble
peu probable, que Ton puisse obtenir une faute prismatique d'énergie inférieure
à la faute basale, avec un potentiel d'interaction de paires sans dépendance
angulaire. La faute basale ne présente en effet aucune distorsion au niveau
des premiers voisins et respecte la compacité du réseau. Ceci n'est pas le
cas de la faute prismatique.
I l est donc raisonnable de penser qu'un modèle énergétique non
anisotrope conduira à un rapport R inférieur à 1, et donc à un glissement basai
fac i le .
IV.5 - SIMULATION DU COEUR DES DISLOCATIONS -j <1120>
Nous reportons i c i les résultats essentiels obtenus par Basinski
et a l . (1970) et par Bacon et Martin (1981). Ces deux études ont été faites avec
des potent i i ls d' interaction de paire :
- Basinski et a l . ont employé un pseudopotentiel adapté au sodium;
- Bacon et Martin ont u t i l i s é les potentiels de Lennard-Oones déjà
mentionnés ci-dessus.
Dans les deux cas, la structure hexagonale est stable vis-à-vis d'un
champ de déplacement inf ini tésimal arb i t ra i re . Cependant, le pseudopotentiel
concernant le sodium confère une énergie plus basse â la structure C.C. qu'à
-58-
la structure H.C., elle-même plus stable que la structure C.F.C., l 'énergie de
faute basale étant d'environ 3,5 erg/cm. La transformation H.C. •+ C.C. ne se
produisant pas spontanément durant la simulation, les auteurs admettent que ce
potentiel représente de manière satisfaisante un c r i s ta l de sodium hexagonal
stable.
Les figures 1.9 et IV.7 montrent les; structures de coeur obtenues par
Bacon et Martin, et par Basinski et a l . , pour les dislocations vis i <1120>.
Dans les deux cas, la dislocation vis parfai te initialement introduite
se dissocie:spontanément en deux dislocations de Shoçkley dans le plan de base.
La largeur-de dissociation est^én général plus-peti te que celle prédite par
l ' é l a s t i c i t é . Ceci est a t t r ibué, soi t à l'élargissement des part iel les (Bacon
et Mart in), soi t â la réduction des forces entre ce l l es -c i , due à leur fa ib le
séparation (Basinski e t a l . ) . Ces deux arguments ne sont pas incompatibles,
comme l 'on t montré Cockayne et Vitek (1974).
Dans les deux cas, la structure de coeur obtenue est proche de cel le
trouvée dans les métaux C.F.C., et montre que seul le glissement basai peut
être le glissement primaire. Le glissement prismatique ne peut apparaître que
par constrict ion des part ie l les et déviation.
Les simulations sous contrainte ne font que confirmer ces résultats :
Dans l'étude de Basinski e t a l . (1971), où une contrainte de cisaillement est
appliquée dans le plan de base, le mouvement de la dislocation vis est confiné
dans le plan de glissement (0001).
-4 La contrainte de Peierls est très fa ib le , environ 4.10 C»., et 25 fois
plus pet i te que celle obtenue dans la structure C.C. avec le même potent ie l .
Dans l'étude de Bacon et Martin (1981), où des contraintes de
cisaillement ont été appliquées tant dans le plan de base que dans le plan
prismatique, le rapport des contraintes crit iques projetées varie dans le même
sens que celui des énergies de faute (Tableau X I I ) .
-59-
TABLEAU XII : Rapport des contraintes crit iques projetées sur le plan de base
o B , et sur le plan prismatique o p , et rapport R obtenu avec
les potentiels LJ5 et LJ6.
LJ5 LJ6
° B / a P 0,28 0,17
C t c x FB r, . 6°
44 0,40 0,10
Compte-tenu de ces travaux, nous n'avons pas jugé u t i le de fa i re des
simulations de coeur avec les pseudopotentiels adaptés aux métaux divalents et
u t i l i sés dans le calcul des énergies de faute des paragraphes IV.2 et IV.3.
Nous pensons que ces simulations conduisent très probablement à des
coeurs étendus dans le plan de base, avec une dissociation plus ou moins grande
en deux part iel les de Shockley (Tableau XI). Le comportement prévisible de
tous ces métaux est donc un glissement basai primaire, avec possibi l i té de
déviation dans le plan prismatique.
L'étalement métastable dans le plan prismatique peut donner l ieu â
un glissement secondaire dans ce plan, avec un mécanisme de blocage thermiguement
activé des dislocations vis dans le plan de base (thèse de Régnier (1969) sur
le béryl l ium).
On remarque que, parmi tous les métaux divalents, le béryllium possède
1 e ™Wort R • Faute E r o t i q u e * W C 4 4 l e P l u s P r o c h e d e l- C e d e v r a i t ê t r e
ce lu i , où le phénomène de déviation est le plus aisé. L'étude expérimentale
du glissement prismatique dans les métaux divalents n'est cependant pas assez
développée pour confirmer ce point.
La simulation de Bacon et Martin (1981) montre que les contraintes c r i
tiques projetées (C.C.P.) dans le plan de base sont très proches pour les
dislocations vis et coin :
C.C.P. vis , , CTCTFT coin "
-60-
Dans tous ces métaux, la force de Peierls est probablement assez
fa ib le (Basinski et a l . , 1971), et ne peut être invoquée comme mëcanisra
contrôlant la déformation à basse température.
Tetelman (1962) a proposé pour celui-c i un piëgeage mutuel de
dislocations de signe opposé glissant sur des plans (0001) voisins. Ce
mécanisme a été observé in s i t u dans le béryllium (Antolin et a l . , 1965), et
également dans le magnésium (Hirsch et Lal ly , 1965).
Après avoir conclu à un comportement assez voisin de tous les métaux
H.C. divalents, i .e . glissement basai faci le dû à une dissociation ou à un
étalement planaire sur le plan de base, nous allons étudier les métaux H.C. de
t rans i t ion qui possèdent des propriétés tout à f a i t différentes.
Figure IV.7 : S t ruc tu re ds coeur de la d i s l o c a t i o n v i s — <1123> obtenus par
Basinski e t a l . (1970).
> > t 1 1 1 1
• • > I 1 I 1 1 i I
• • • • l i a . . .
' i i i I L . . . - > * I 1 i x. i i . ,
• i i i i i PQOll
I 1 t 1 »
1 1 I 1 I I
•tiiooi
i I i t
Le champ des déplacements additionnels, dus à la relaxation s i parallèles au
vecteur ds Burgers — <1120>, est symbolisé par les trai~o verticaux, l-.c
déplacements sont multipliés par 5 et représentés suivant [0001].
-61-
C H A P I T R E V
CALCULS DES ÉNERGIES DE FAUTE
DANS LES MÉTAUX DE TRANSITION
V . l - RAPPELS THEORIQUES
l / . I . I - GENERALITES
Dans les métaux de t rans i t ion , i l a été montré que les électrons d
ont une influence prédominante sur les propriétés de cohésion (Friedel, 1969).
Ces électrons, plus localisés autour de leur ion d'origine que les
électrons s, sont bien décrits par le modèle des l iaisons fortes.
Deux méthodes (méthode des moments : Cyrot-Lackmann, 1968 et
méthode de recursion : Haydock, Heine et Kelly, 1972) permettent de
reconstruire la densité d'états électroniques de la bande d, en se plaçant
dans l'espace direct et sans hypothèse de pér iodic i té.
Ceci a été u t i l i sé pour calculer l 'énergie de défaut sans variat ion
de distance interatomique, t e l l e l'énergie des fautes d'empilement dans les struc
tures compactes (Ducastelle et Cyrot-Lackmann, 1971; Papon et a l . , 1979a). La mé
thode des moments a également été employée pour les énergies de macle et de faute
d'empilement dans les métaux de transit ion C.C. (Papon et a l . , 1979b).
Dans ce cas, les variations des distances interatomiques entraînent
des variations mal connues des paramètres de calcul .
Toutefois des études, où la densité d'état est décrite par une
d is t r ibut ion gaussienne ajustée sur les deux premiers moments, ont été fai tes
dans le cas des constantes élastiques (Ducastelle, 1970), des spectres de phonons
(Lagersie et Allan, 1977), des dislocations vis dans les métaux C.C. (Sato et
Masuda, 1981) et des relaxations de surface (Allan et Lannoo, 1976, Desjonquères,
1979, Gupta, 1981).
- 6 2 -
Tous ces cas nécess i ten t aussi des v a r i a t i o n s des paramètres de
ca l cu l en fonc t ion des v a r i a t i o n s de d is tance, a i n s i qu'une répuls ion i o n - i o n
nécessaire à l ' é q u i l i b r e . Les r é r . - l t a t s s a t i s f a i s a n t s obtenus dans toutes ces
études j u s t i f i e n t a p o s t e r i o r i l ' emplo i des so lu t i ons empiriques adoptées
pour l e po ten t i e l r é p u l s i f e t l es l o i s de v a r i a t i o n des paramètres.
Nous nous proposons, après l e rappel d'une décomposition de l ' é n e r g i e
de cohésion due à Fr iedel (1969) e t Ge la t t e t a l . (1977) , de décr i re les
hypothèses du modèle de l i a i s o n s fo r tes e t l a méthode de recursion u t i l i s é e pour
r e c o n s t r u i r e les densi tés d ' é t a t l oca les . Nous terminerons ces rappels
théor iques par une analyse des paramètres employés dans ce modèle.
V.1.Z - ?EC0MPOSITIONJ}E_L^ENERGIE PE COHESION
Nous reprenons l a décomposition de l ' é n e r g i e de cohésion, E c , suggérée
par F r iede l (1969) e t e x p l i c i t é e par Gelat t e t a l . (1977) (F ig . V.1) :
E c = E prep + E r e n + £ sp + £ d + £ sd
E p es t l ' éne rg ie de "p répa ra t i on " requise pour passer de l ' é t a t de l 'atome
i s o l é d S à l ' é t a t , généralement admis, de l 'a tome dans l e métal d n + 1 S 1 (Snow
e t Waber, 1969). E r e n t r a d u i t l e changement des pos i t i ons des bandes d e t de
conduct ion sp dans l e modèle de l 'atome renormal isë (Hodges, Watson et
Ehrenre ich , 1972). Ces deux termes sont r é p u l s i f s .
Figure V . I : Décomposition de l ' énerg ie de cohésion dss métaux de r r s p s i t i o n
des deux premières sér ies (Ge l3 t t e t a l . , 1977).
-0 6
-O 7
-0 8
-0 9
V Çr V r C e Ç = l' \e Vo Te p u a» P, aq
û K , p c l L R w o r m a , , l o T U , o n
U „ JT d Band Q s-dHyhfid-
-onduction' •Cotcmated Bond (•Expérimental
-o i
•0 2
0 3
- 0 4
0 5
- 0 6
•or
-63-
E s p , E et Es sont les energies de bandes sp, d et d'hybridation
entre ces bandes. A l ' équ i l i b re , ces termes sont a t t r a c t i f s .
Nous allons analyser l'importance de ces termes et leur expression
analytique dans le cas de l 'énergie d'un défaut (faute d'empilement ou dislocation)
a) Termes at t ract i fs
Le terme de bande d , qui est responsable d'un grand nombre de
propriétés le long d'une série de transit ion (énergie de cohésion, modules
élastiques), s 'écr i t sur un s i te i :
£à. = / F E n i (E) dE
où Ep est le niveau de Fermi, et n.(E) la densité d'états électroniques locale
(D.E.L.) sur le s i te i .
Ceci est obtenu pour une origine des énergies prise au niveau de l'atome iso lé .
La densité électronique locale est reconstruite à par t i r du modèle de l iaisons
fortes et de la méthode de recursion, rappelés en V.1.3 et V.1.4.
Ce formalisme, qui n 'u t i l i se pas le théorème de Bloch, permet de
reconstruire la D.E.L. sur un s i te i , qui peut en par t icu l ier être dans un
environnement c r i s t a l l i n non parfa i t (dislocation, faute d'empilement, sur face. . ) .
Allan (1970) et Desjonquères (1976) ont montré que, même dans le cas des surfaces
où i l y a des liaisons coupées, le transfert de charge entre atomes est très
fa ib le dans les métaux de t ransi t ion (inférieur à 10" électron). Nous
supposerons ainsi que le t ransfer t est nul dans le cas des fautes d'empilement.
La contribution AE- sera traitée de manière non auto-cohérente :
AE? = / f (E - E f ) ôn^E) dE
avec 614(E) = n^E) - n y(E)
n.j(E) : D.E.L. sur un site i près du défaut
n (E) : D.E.L. sur un site du cristal parfait
Cette approximation a déjà été utilisée par Papon (1979). Sato et Masuda (1981)
ont vérifié sa validité pour les dislocation vis dans les métaux de transition
cubiques centrés.
Si E SP a une valeur négative à l'équilibre, la variation de ce terme
suit une loi répulsive (Gelatt et al., 1977; Papon, 1979) et sera assimilée à
celle des termes répulsifs.
-64-
La contribution de E i u a été t ra i tée par Cyrot-Lackmann et a l . (1970).
Le calcul est cependant extrêmement laborieux lorsqu'on s'intéresse à des
moments élevés (d'ordre supérieur ou égal à 4) de la densité d'états. Nous
négligerons ce terme, nous appuyant sur le f a i t que Papon (1979) a obtenu des
changements négligeables dans les énergies de faute des métaux de transi t ion C.C
en le prenant en compte, de manière certes très schématique.
b) Ternes répulsifs
E p r e p sera supposé invariant, lors de la création d'un défaut.
Les variations de E r e et E s p suivant la distance interatomique sont
rapides. Nous adopterons le terme empirique proposé par Ducastelle (1970), qui
a regroupé ces termes dans une interaction de paires .E?, de type Born-Mayer :
Ej = I A exp (- p R-â)
ft et p sont des paramètres à ajuster sur des valeurs expérimentales (voir
annexe IV). Ducastelle (1970) a montré la courte portée de cette interact ion;
nous prendrons le même rayon de coupure que celui concernant les intégrales
de recouvrement issues du modèle de liaisons fortes (voir ci-dessous).
V. 1.3 - M0PELE_PE_aAIS0NS_F0RTES
Le modèle énergétique u t i l i sé pour reconstruire la densité d'états
locale est le modèle classique de liaisons for tes.
On part de Vhamiltonien à un électron :
H = T + Z V, j J
où T est le terme d'énergie cinétique, et V. le potentiel centré sur l'atome j .
En se plaçant dans la base des orbitales atomiques |jX>, avec j :
indice de si te et X : indice de dégénérescence de la bande d (1 $ A < 5),
l'approximation des l iaisons fortes consiste â l im i te r le nombre d'intégrales
intervenant dans le calcul des valeurs propres :
a) les orbitales atomiques sont supposées former une base orthonormée
complète :
<iA|jp> = 6. . 6.
-65-
b) On ne ret ient que les intégrales de saut B?j" à deux centres proches
voisins i et j
BÎJ = < i X | V j | j p >
On étudiera, dans le calcul des énergies de faute, l ' inf luence du "rayon de
coupure" de ces intégrales, qui sera pris successivement après les premiers
voisins, les seconds voisins e t même les troisièmes voisins.
c) On f a i t l'hypothèse généralement admise que les intégrales de dérive :
sont so i t négligeables, so i t invariantes sur le défaut.
Les seules variables intervenant dans ce modèle de l iaisons fortes sont
donc les intégrales de saut B } J . Ce sont des matrices (5x5). Slater et Koster(1954) AU
ont montré qu'elles pouvaient s'exprimer, pour une distance donnée, en fonction :
- de t ro is paramètres dda0,ddirQ,ddô collectivement nommés ddgQ
- des cosinus directeurs de la direction (ÏÏ7 - TU).
D'autre part, leur variation suivant la distance interatomique sera prise en
compte par une lo i adoptée par de nombreux auteurs :
ddS = ddeQ exp [-q (R - RQ)]
où R est la distance entre premiers voisins.
Ducastelle (1970) a montré que qR est compris dans l ' i n te rva l le : 3 ^ qR ^ 5,
les intégrales décroissant plus rapidement pour les métaux de f i n de série
(Ni , Pd, Pt) .
Le paramètre q est ajusté sur des valeurs expérimentales (annexe IV).
Faisons i c i la remarque suivante : La l o i de variation est déterminée
à l ' équ i l i b re , pour des distances proches de R . I l est donc délicat de
l 'extrapoler pour des variations de distance importantes, et en part icul ier
pour déduire les intégrales de saut entre seconds voisins à part i r de celles
entre premiers voisins.
Faute de connaissance plus précise, c'est pourtant ce que nous ferons,
en étant conscientsque les résultats obtenus ne peuvent être que semi-quantitatifs.
-66-
Nous nous attacherons donc plus aux tendances issues du modèle, qu'aux
valeurs numériques obtenues.
V.1.4 - METHODEÇEREÇURSIONUTILISEEPOURR^
LOCALE, n^(E)
La densité d'états locale est donnée par :
ME) = -ilimIm U G 5 5 (E + ie))
Oû G(ç) = -~n est la résolvante du système, d'éléments de matrice ç-n G^j(ç) = <ix|G(ç)| ju>. G(ç) est développé en fraction continue sous la forme
GK) =
«-•.-*»;
î - a - b ,
l-K~*
«-»..
La méthode de recursion (Haydock et a l . , 1972 ; Haydock, 1980) consiste à
construire à part i r de la base des orbitales atomiques une nouvelle base
orthogonale qui tr idiagonalise 1'hamiltonien.
Dans cette nouvelle base, H a la forme suivante :
a, b, o - - -
*», S , b a ° O ° b , a 3 b 3 ° V
x N. \ \ S
' O N ' N b\<> | W
S \ N n - 1 \
o b. ,a„ b N I V n ' I
I
-67-
Les (a , bj") sont alors les coefficients du développement de G(ç) en fract ion
continue. 2
Les coefficients (a , b~) tendent rapidement, pour une bande continue,
vers des valeurs asymptotiques uniques, reliées au mil ieu et à la largeur de
la bande d :
a » " (£sup + E i n f > ' Z
b - " <EsuP " E i n f ) 2 / 1 6
où E. . et E sont les extrémités inférieures et supérieures de la bande d.
Ceci permet de terminer la f ract ion continue de la manière usuelle suivante :
n °° pour n > n„
bd = b' ° n »
Notons que cette méthode est équivalente à celle des moments (voir annexe V).
La connaissance de n couples de coefficients exacts revient à celle des
(2n + 1) premiers moments de la densité d'états.
V.7.5 - PARAMETRES_ÇU CALCUL
Pour évaluer les tendances le long d'une série de t ransi t ion, nous
avons adopté des valeurs canoniques pour les paramètres ddB (Ducastelle, 1972;
Turchi, Trêglia et Ducastelle, 1983) :
dda(RQ) = - 2
ddir(R0) = 1
dd«(R0) = 0
Pour un élément par t icu l ier , l ' un i té d'énergie est choisie pour reproduire la
largeur rée l le , W, de la bande d à par t i r de la relat ion :
relat ion établie de manière exacte par Desjonquëres (1976) dans les métaux C.F.C,
en prenant des intégrales de dérive nul le. L'emploi de cetta relation pour les
métaux H.C. ne constitue certainement pas une approximation sévère (Pet t i for , 1969;
Papon, 1979).
-68-
Ces valeurs canoniques permettent de suivre, pour un défaut, la
variat ion du terme de bande d tout au long d'une série de t ransi t ion, en faisant
varier continuement le nombre d'électrons d de 0 à 10.
Les paramètres employés dans cette étude seront donc les suivants :
a) Cas d'un défaut n'induisant pas de variation de distance parmi les
proches voisins (ex.: faute basale) :
x Pour un corps part icul ier :
- le nombre d'électrons d
- la largeur de bande de l'élément considéré
x D'une manière générale :
- les valeurs canoniques ddg, dont les petites variations n' inf luent que
très peu sur les différences d'énergie d (Papon, 1970)
- le "rayon de coupure" des intégrales de recouvrement, et lorsqu ' i l est
pris au delà des premiers voisins, le paramètre de décroissance, q, de ces
intégrales.
b) Cas d'un défaut induisant une variation Je distance parmi les proches
voisins :
- les mêmes que ci-dessus, auxquels i l envient de rajouter les paramètres
A et p du terme répulsi f . L'obtention des pa amètres (A, p, q) est t ra i tée dans
l'annexe IV.
V . 2 - CALCUL DE L'ENERGIE DE FAUTE BA5ALE
La faute 2V, que nous allonsé .udier, ne modifie pas la compacité
du réseau. Les distances entre premier? et deuxièmes voisins ne sont pas
modifiées si on admet que la relaxation est nulle pour cette faute (cf.
Chapitre précédent). Ceci a deux conséquences importantes, lorsqu'on l imi te
la portée des intégrales de saut aux premiers ou aux seconds voisins :
a) L'énergie de faute n'est due qu'à la variat ion du terme de bande d,
si on adopte le même rayon de coupure pour le terme répulsi f et pour les
intégrales de saut. L'énergie de faute, r, s 'écr i t dans ce cas :
S étant la surface de la mail le élémentaire du plan basai (S = a *T/2), et N
le nombre de plans, où la densité électronique locale est affectée par le défaut.
-69-
b) Il n'y a pas de variation des paramètres ddg due au défaut.
Néanmoins, lorsqu'on considère une portée de ces intégrales au delà des premiers
voisins, il faut fixer une valeur du paramètre de décroissance, q, de ces
intégrales suivant la distance.
Nous avons adopté les deux Valeurs suivantes :
qR o = 2,9 et qR Q = 4
La première valeur est représentative de la moyenne obtenue sur tous les métaux
étudiés (voir annexe IV). La seconde a été ut i l i sée pour étudier l ' inf luence
d'une décroissance plus rapide des intégrales de t ransfer t .
Ces deux conséquences montrent que les seules modifications dues à
la faute sont d'ordre configurationnel, et ne sont décelables que grâce à
1 'anisotropic des intégrales de saut. I l est donc essentiel de faire un calcul
en bande d réel le, i .ê . dégénérée.
1/.2.I - RESULTATS_AMrERIEyRS
Les résultats antérieurs (Papon, 1979) ont montré que l'énergie de
faute 2V est fortement corrëlée â la différence d'énergie entre les phases
hexagonale compacte et cubique â faces centrées. Nous allons analyser les
résultats re la t i fs à cette grandeur, qui détermine le domaine de s tab i l i t é des
deux phases.
Nous reportons f-^ure V.Z les résultats de Ducastelle et Cyrot-Lackmann
(1971) obtenus avec quatre moments de la densité d'étatsexacts (équivalent â
deux couples de coefficients issus de la recursion), ainsi que ceux de
Desjonquères, publiés par Papon (1979), issus d'un calcul avec 20 moments
exacts (équivalent à 10 couples de coeff icients). Dans les deux cas, seul es les
intégrales de saut entre premiers voisins ont été retenues.
Pett i for (1977) a obtenu des résultats assez semblables à ceux de
Desjonquères, en t ra i tant la bande sp en électrons presque l ib res , et la bande d
en l iaisons fortes. La courbe de la différence d'énergie r entre les phases
C.F.C. et H.C. est tracée f igure V.3 pour deux valeurs du paramètre d'hybridation
B des bandes sp et d.
a) B = 1 correspond à une bande d étroi te avec des intégrales de saut
semblables à celles ut i l isées dans le calcul de Desjonquères (portée réduite
aux premiers voisins), et une hybridation relativement for te .
-70-
r fMT'Ryd/at]
Stable f.cc.
Stable h.c.
Z 1°
Figure V.2 : Di f férences d 'énerg ies de l i a i son d en t re les phases C F . C . 37 H.C. ;
(a) en p o i n t i l l é s , les résu l t a t s de Ducaste l le e t Cyrot-LaCK.T.5nn
(1971) avec quat re moments, (b) en t r a i t p l e i n , ceux de Sesjonquèrss
(Papon, 1970) avec v ing t moments. Seules les in tégra les ca saut en-rrt
premiers v o i s i n s sont pr ises en compte.
[lO-'Ryd/at]
Stable l.c.c.
Stable h.c.
Figure V.3 : Différences d'énergies de liaison d entre les phases C.F.C. et H.C.
d'après Pettifor (1977) pour deux valeurs du paramètre B : (a) en
po i nt i11 es 0 = 1, (b) en tra i t plein B = 0,5.
-71-
b) 6 = 0,5 correspond à une bande d plus large, avec des intégrales de
saut à plus longue portée (jusqu'aux troisièmes voisins dans la structure C.F.C),
et une hybridation moins importante.
Ces résultats appellent les remarques suivantes :
a) Les différences entre les résultats de Ducastelle et Cyrot-Lackmann (1971)
et ceux de Desjonquères montrent qu ' i l est nécessaire de reconstruire la densité
d'état au delà de ses quatre permiers moments. Le problème de la convergence
en fonction du nombre de coefficients de recursion (ou du nombre de moments)
sera t ra i t é dans le paragraphe suivant.
b) Les courbes obtenues par Desjonquères et par Pet t i for dans le cas B = 1
(Fig. V.3a) sont très similaires. Une hybridation plus f a i b le , ainsi que des
intégrales de saut à plus longue portée (Fig. V.3b) ont les conséquences
suivantes :
x Le domaine de s tab i l i té de la phase hexagonale compacte est repoussé entre
Z = 0,5 et Z = 2,5 et s 'é larg i t entre 5,5 et 8.
x La s tab i l i t é relative de la phase H.C. augmente sensiblement dans ce dernier
domaine (5,5 < Z < 8).
x Les changements pour la partie de courbe délimitée par Z < 2 < 5 n'ont pas de
s igni f icat ion physique, puisque la structure cubique centrée est stable pour
ces remplissages.
Avec la même méthode que cel le ut i l isée par Desjonquères pour le
calcul de la différence d'énergie entre les phases H.C. et C.F.C, Papon (1979)
a calculé les énergies de faute d'empilement dans les plans compacts pour les
deux phases. Les résultats obtenus montrent que les valeurs des énergies de
faute varient très peu, lorsqu'on modifie les paramètres dda, ddir, dd<5 autour
de leurs valeurs canoniques dda = - 2, ddu = 1 , ddfi = 0.
Nous reportons figure V.4 la variation de l 'énergie de faute 2V,
obtenue par P,ipon (1979), en fonction du nombre d'électrons d, Z. Ce calcul a
été effectué avec des intégrales de saut limitées aux premiers voisins, et des
paramètres ut i l isés par . ; i fo r pour le cobalt :
dda/ddir = - 2,22
dd6/ddïï = - 0,12
Cette courbe montre que l'énergie de faute 27 est très fortement corrëlëe aux
différences d'énergie des phases hexagonale compacte et cubique à faces centrées.
-72-
Figure V.4 : Energie de la faute 2V dans la phase H.C. en fonction du nombre
d'électrons d (Papon, 1979).
r [lO _ 1Ryd/at]
12-
8
4.
0-
. 4 .
-8
0 5 ' " 10
I/.2.2 - RESULTATS
a) D i f fé renca d 'énergie en t re les phases H.C. e t C.F.C. e t énergie de le fa-jTe
2V
Nous nous sommes proposés de connaître l 'évolut ion de l'énergie de
la faute ZV, lorsque nous augmentons la portée des intégrales de saut. En
e f f e t , comme le montre la f igure V.3b obtenue par Pet t i fo r , une augmentation
du "rayon de coupure" de ces intégrales semble accroître l'énergie de faute
pour les remplissages compris entre 6 et 8 électrons.
Or la valeur obtenue par Papon pour Z = 7, remplissage du ruthénium,
devrait conduire â l 'observation de cette faute en microscopie électronique.
Le rapport ^«b/yon sera i t , d'après le calcul de Papon, d'environ 375; ceci
conduit à des dissociations des dislocations coin de l 'ordre de 13b. Ce
résul tat n'est guère compatible avec le f a i t que Snow et Breedis (1974) n'ont
pas observé de dislocations dissociées dans le plan de base, dans leurs travaux
de microscopie électronique sur le ruthénium. De plus, avec une te l le largeur
de dissociat ion, le glissement basai devrait être prépondérant, alors que l 'on
observe en réa l i té , le glissement prismatique comme système principal.
t/Vj
-73-
Nous reportons, f igure V.5, la différence d'énergie entre les
phases H.C. et C.F.C., pour différentes portées des intégrales de t ransfert ,
et pour différentes valeurs du paramètre q, régissant leur décroissance
suivant la distance. Ces courbes ont été obtenues en calculant dix couples
de coefficients de recursion.
Le point marquant est l'augmentation de la s tab i l i t é relat ive de la
structure H.C, due à l ' inf luence des intégrales de saut entre seconds voisins,
pour des remplissages compris entre 6 et 8 électrons. Les courbes évoluent de
manière moins importante lorsqu'on considère également les intégrales de
saut jusqu'aux quatrièmes voisins. Ce f a i t est d'autant plus marqué que le
paramètre de décroissance de ces intégrales est élevé, ce qui est relativement
i n t u i t i f '•
Ces courbes sont assez semblables à celle obtenue par Pett i for
(Fig. V.3b), dans le cas d'intégrales de saut à plus longue portée (al lant
jusqu'aux troisièmes voisins dans la structure C.F.C., ou jusqu'aux quatrièmes
voisins dans la structure H.C.) et une hybridation moins importante que dans
la f igure V.3a.
Nous avons calculé l 'énergie de la faute 2V, en faisant varier les
mêmes paramètres que précédemment (rayon de coupure des intégrales de saut, et
paramètre de décroissance de ces intégrales). Leur influence est la même que
pour la différence d'énergie des phases H.C. et C.F.C.. Nous reportons
figure V.6 les résultats obtenus avec des intégrales de saut étendues aux
seconds voisins et qR = 2,9. La valeur nettement plus élevée que celle trouvée
par Papon (1979) pour Z = 7 s'accorde bien avec l'observation des dislocations
non dissociées dans le ruthénium (Snow et Breedis, 1974). On obtient en ef fet
un rapport C..b/Y ?„ de 60, qui conduit à un étalement des dislocations coin
ae l 'ordre de 2b, non décelable en microscopie électronique classique.
b) Convergence de l ' énerg ie de la faute 27
Nous reportons f igure V.7 les courbes obtenues en faisant varier le
nombre de coefficients u t i l i sés pour reconstruire la densité d'états.
Ces courbes sont relatives à l'énergie de faute sur le plan le plus
proche du défaut (plan A l , voir Fig. V.8), avec des intégrales de saut étendues
aux seconds voisin?, et qR = 2,9.
-74-
Fïgure V.5 : Différences d'énergies de liaison d entre les phases C.F.C. et H.C.
Premiers voisins :
Seconds voisins :
Quatrièmes voisins :
(a) qR = 2,9
C.r.C. attbla
(b) qR = 4 Premiers voisins :
Seconds voisins :
Quatrièmes voisins
75-
Figure V.6 : Energie de la faute 2V dans la phase H.C. - qR = 2,9
Deuxièmes voisins
tlB"1 Ryd/.O
Si la première courbe, présentant des différences d'énergie non nulles, apparaît avec la prise en compte du moment d'ordre 4 :
H S r n(E) dE bande
i l faut néanmoins calculer le moment d'ordre 6 pour obtenir une courbe
n'évoluant plus avec le nombre de moments d'ordre supérieur retenusdans la
reconstruction de la densité d'ëtate.
L'obligation d'aller jusqu'au moment d'ordre quatre pour obtenir des différences entre le cristal parfait et le cristal fauté a des raisons géométriques évidentes (Ducastelle, 1972).
En effet, le moment d'ordre n est relié à la configuration des
chemins de même ordre. La figure V.8 montre qu'il faut au moins des chemins
fermés d'ordre 4, pour parcourir trois plans rêticulalres et différencier
ainsi les empilements ABA/BAB et ABA/CBC. Ceci n'est cependant plus exact,
quand les intégrales de saut ont une portée atteignant les troisièmes voisins.
La prépondérance de l 'e f fet du moment d'ordre six n'a pas reçu pour
l'instant d'explications satisfaisantes. Une étude détaillée de la configuration
des chemins mis en jeu est en cours (Ducastelle et Turchi, 1983), pour déterminer
les chemins responsables de l'évolution de la courbe de la figure V.7.
-76-
F igure V.7 : Convergence de l ' énerg ie de fau te sur le s i t e AI suivant le
nombre de c o e f f i c i e n t s de recurs ion (ou de moments) : a 3 Cu 5) b 3 ( V b1Q ^ O 5
1 tlB"' Ryd/.tJ
tr^\
,:/T\ FA 1 "'
i . . .
v 10
Figure V.3 : Faute 27 e t chemins d'or:! ordre 4 modi f iés par !a f=LTO.
C
B
C
B
C
A i
B ,
A 2
Fz A
• o • o • o •
o • o • o • o
• c • o • o •
o • o • p • o
• o • (S \ o •
o • o i» o •
« o • o • o
o • o J» o •
• o ^ V • ° o • o » o •
-77-
Le nombre de zéros des courbes d'énergie de faute et-des différences
d'énergie entre les phases H.C. et C.F.C. est compatible avec l'importance
du moment d'ordre 6. En e f fe t , Ducastelle (1972) a montré que, si nj(E) et
n2(E) ont les mêmes n premiers moments y , P j , — p n - l ' a ^ o r s
6n(E) = n 1(E) - n2(E) a au moins n zéros et 6E = / E F (E p - E^n^E) - nz(E))dE
a au moins (n-2) zéros en dehors des bornes; SE étant considéré comme fonction
de Ep ou de Z.
Si on considère que c'est le moment d'ordre 6, u 6 , qui pi lote l ' e f f e t ,
on peut s'attendre en première approximation à avoir quatre zéros en dehors
des bornes sur les courbes de la figure V.7. Cet argument sera plus détai l lé
par un traitement en perturbation dû à Ducastelle et Turchi '( 1984).
c) Extension spatiale de l'énergie de faute
» La fiqure V.9 montre les contributions à l 'énergie de faute y?v des
atomes sur des plans de plus en plus éloignés de la faute. Les calculs sont
menés dans les mêmes conditions que précédemment :
- intégrales de saut jusqu'aux deuxièmes voisins
" 1 Ro = 2 ' 9
- lu étages de coefficients (équivalents à 20 moments).
La plus grande partie de l 'énergie de faute est apportée par les plans adjacents
à la faute. Au delà du deuxième plan (A2, B2, A3, . . . (F ig. V.8)), les
contributions sont négligeables.
Cette faible extension spatiale avait déjà été notée par Papon et
al.. (1979 a)? : '•.:.-••-
Tous nos résultats d'énergie de faute 2V ont été obtenus en sommant
les contributions des quatre premiers plans, de part et d'autre de la faute.
Le calcul peut se faire en ne considérant que les contributions des plans se
trouvant d'un même côté de la faute, par raison de symétrie.
Nous reportons f igure V.iO les densités d 'état obtenues dans les
mêmes conditions de calcul pour les atomes des plans A l , B l , A2, B2 (Fig. V.8),
ainsi que pour un atome de volume. Les faibles différences observées montrent
que la précision du calcul doi t être soigneusement contrôlée. Ainsi le
remplissage de la bande d est normalisé à mieux que 1 0 , et les transferts de
charge, dus au traitement non autocohérent, sont de l 'ordre de quelques
centièmes d'électron par atome.
-78-
Figure V.9 : Contribution à l'énergie de faute 2y des atomes situés de plus en plus loin de la faute : Al ; Bl ; A2 . Seconds voisins.
; qR 0 - 2.9 -
C10' Ryd/«t]
Figure V.10 : Densité d'états sur des atomes proches du pl=i de taure : '• et en volume (....) - qR = 2,9 - Seconds voisins, o
B1
A2 B2
-79-
La figure V..11. montre, à titre de comparaison, la densité d'états
obtenue pour un atome du plan Al, avec une portée des intégrales de saut
réduite aux premiers voisins.
Figure V.11 : Densité d'états sur un site Al ( ) et en volums (...) -
Premiers voisins.
N(E)
0, 1
-5 0 5 E
d) Influence du rapport c/a et des paramètres ddg, ddir, ddiS
Les calculs précédents ont été effectués avec un rapport c/a = 78/3',
caractérisant l'empilement compact " idéa l " , et les valeurs canoniques des
paramètres (dda, ddir, ddS).
Or tous les métaux de transi t ion H.C, possèdent des rapports c/a
infér ieurs à la valeur idéale : 1,633 (Tableau X I I I ) . Ducastelle (1972) avait
montré, par des arguments fondés sur le moment d'ordre quatre, que, lorsque
la phase H.C. est stable, le c/a devait effectivement être inférieur â 1,633.
- 8 0 -
TABLEAU X I I I : Valeur du rappor t c/a pour les métaux de t r a n s i t i o n .
Meta 1 c/a à 300 K (1,63 - c/a) c/a e n "
Y 1,571 3,8
Ti 1,587 2,8
Zr 1,593 2,5
Hf 1,581 3,2
Te 1,60 2,0
Re 1,615 1,1
Ru 1,582 3,2
Os 1,579 3,3
Co 1,623 0,5
Turchi et Ducastelle (1983), en reconstruisant la densité d'étate
delà du moment d'ordre quatre, obtiennent cependant des conclusions différentes
- une diminution du rapport c/a est ënergétiquement favorable pour les
remplissages 6 et 7 (Te, Re, Ru et Os), mais ne 1'est pas pour les remplissages
voisins de 2 (T i , Zr, Hf) .
Ce désaccord avec les données expérimentales n'est pas encore
élucidé.
Pour i l l u s t r e r la variat ion de l'énergie de faute en fonction du
rapport c/a, nous portons f igure V.12 les courbes relatives à l'énergie de la
faute Y27» P ° u r d e s rapports c/a » 1,59 et c/a = 1,633 ( /8/3), toujours avec
les mêmes paramètres :
- dda = - 2ddïï
- dd5 = 0
- intégrales de saut étendues aux seconds voisins avecqR = 2,9.
-31-
Fîgure V.12 : Energie de la faute 2V - a) en trait plein, c/a = 1,59
b) en pointillés, c/a = 1,633
[IB Ryd'itJ
- 2
r A
A / \ V f \ V / \ \v / \ v / V
\ \ / — - s / ' \ \ j
îa
F i v j r e V.13 : Energie de la f au te 27 - 3) en t r a i t p l e i n , parsT^treb Js .e ls :
dda/ddir - - 2 , ddS = 0 ; b) en p o i n t i l l é s , par3rr,è+res de = = * t ; - c r
dda/ddir = - 2 ,22 , ddâ/ddir = - 0,12
C10 R y d / a t ]
-32-
Les différences entre les deux courbes sont très fa ib les, et sont en
accord avec les prévisions de Turchi et Ducastelle (H83) :
- Tën^-gie de faute y 2 y augmente légèrement pour les remplissages 6 et
7, ce qui n'est pas le cas pour la première zone de s tab i l i t é de la phase
hexagonale compacte (1,5 < Z < 2,5).
La même conclusion se retrouve lorsqu'on ne considère que les
intégrales de saut entre premiers voisins.
Pour tester l ' inf luence des paramètres ddB, nous avons calculé
l 'énergie de faute yon avec les paramètres de Pett i for (1969) :
- ddo = - 2,22 ddn
- dd« = - 0,12 ddir
- intégrales de saut étendues aux seconds voisins avecqR = 2,9.
La figure V.13 montre que les résultats sont assez psu sensibles à
la valeur des paramètres ddB, comme cela avait déjà été observé par Papon et
a l . (1979 a) .
1/.2.3 - ÇISÇUSSÎOW
Cette étude ne permet pas de donner des valeurs précises de l 'énergie
de faute Y ou P o u r d e s corps par t icu l ie rs . Celles-ci sont en effet trop dépendantes,
du rayon de coupure des intégrales de saut et du paramètre de décroissance de
ce l les -c i .
Néanmoins, l ' a l l u re générale de la courbe de l 'énergie de faute en
fonction du remplissage reste stable, en ce qui concerne le nombre de zéros et
les domaines où l'énergie de faute est positive (domaine de s tab i l i té de la
phase H.C.).
Le manque de connaissance des valeurs relatives des intégrales de
saut entre seconds voisins ne permet pas de trancher sur la va l id i té de la
prise en compte de ces Intégrales. Notre travai l montre cependant la tendance
de l ' inf luence de ces intégrales, et permet d'expliquer des valeurs plus
élevées de l'énergie de faute basale dans la deuxième, zone de s tab i l i té de la
structure hexagonale compacte (6 < Z < B; Re, Te, Ru, Os).
-33-
V . 3 - CALCUL DE L'ENERGIE DE FAUTE PRISMATIQUE
1/.3.I - INTRODUCTION
Contrairement à la faute basale, qui ne nécessite ni relaxation, ni
variat ion de distance entre premiers et seconds vois ins, la "faute prismatique"
définie en IV.3 provoque des variations de distance dès les premiers voisins,
auxquelles i l convient de rajouter celles dues â la relaxation plan sur plan.
Ces variations de distance doivent être prises en compte dans le
terme répulsi f (V. l .Z.b) , ainsi que dans le terme a t t r a c t i f . Celui-ci sera
donc sensible â la fois aux modifications angulaires et radiales.
Pour pouvoir déterminer les surfaces y et l a grandeur des
relaxations, nous avons adopté, dans un premier temps, un modèle simpl i f ié où
la densité d'étatsest reproduite par une dist r ibut ion gaussienne ajustée au
moment d'ordre deux (V.3.2). Dans ce modèle, seule la contribution radiale
est prise en compte, d'une façon qui ne se réduit pas néanmoins à une
interaction de paires (Ducastelle, 1970).
Nous avons ensuite étudié l ' influence de Vanisotropie des orbitales
d en reconstruisant la densité d'états locale par la méthode de recursion, avec
dix couples de coefficients exacts (V.3.3).
l/.3.2 - ENERGIE_OE_FAUTJ_PRISMATIQWE^
Nous util iserons le modèle autocohérent proposé par Allan et Lannoo (1976).
Dans ce modèle, la densité électronique locale sur un s i te i , est
approximëe par une d is t r ibut ion gaussienne ajustée sur les premiers moments
(E - v\)
v], v], v\
avec:
n,(E) = J 5 _ exp 1 /2^u i ^ 1
. 2 v\ = Uj + (v\)
Si on prend le niveau atomique comme origine des énergies, on a
"1 - V i
y-_ i
T, P 2 . i ,i=i i j
-84-
où V. est l'élément de matrice intra-atomique du potentiel autocohérent dû aux oscillations de charge près du défaut, et &^. les intégrales de saut entre un atome i et ses NJ voisins.
L'énergie de bande d s 'écr i t , dans le cr istal parfait 2
E Q = / F En(E) dE = - 10 VÎjjL exp (- •£
où E F est le niveau de Fermi, et y le second moment dans le cristal parfait.
Les V- sont déterminés par la règle de somme de Friedel (1958)
AN (E F, V f ) = 0
où AN (E-, V.) est la variation du nombre d'états en-dessous du niveau de
Fermi.
Ceci conduit à :
VEF(1-V|)
L'énergie de défaut, sur un site i, s'écrit alors :
AE? = / F En.j(E) dE - / F En(E) dE - Nrf V.
Les paramètres (A, p, q),dont la détermination est traitée dans
l'annexe- IV, sont rassemblés tableau XIV.
Les valeurs du paramètre q sont plus faibles que celle prévue par Heine (1967), mais sont très comparables â celles obtenues par Ducastelle (1970) et Papon (1979).
Contrairement 4 ce que nous avons constaté pour la faute basaie, la prise en compte des intégrales entre seconds voisins a une influence négligeable sur les énergies de faute, pour des paramètres q tels que
ou encore :
2,5 < qR0 < 4 ,5
-35-
TABLEAU XIV : Paramètres CA, p, q) déterminés dans l'approximation du moment d'ordre deux.
Y T l Zr Hf Tc Re Ru 0s Co
z 1 . 5 2 . 5 2 . B 2 . 5 E . 0 G . 0 7 . 0 7 . 0 9 . 4
W ( R y d ) . 4 9 . 4 5 . 6 2 . 7 1 . 7 0 . 3 2 . S 3 . 7 6 3S
EdgCRyd) - . 2 8 - . 3 4 - . 5 0 - . 5 3 - . B 3 - . 7 6 - . 5 1 - . 6 4 - . 2 0
fl(Ryd) 9 7 3 3 35B M B 3 7 2 1973 4BB9 1 2 2 3 0 2 160B5 1 2 8 5 5
P ( b - ' ) 1 5 . 5 2 1 0 . B3 9 . 4 7 1 0 . 7 0 1 1 . 9 3 1 2 . 7 2 1 7 . 0 5 1 4 . 19 1 4 . E S
Q t b " 1 ) 1 . 4 6 3 . 0 1 2 . 8 1 2 . 3 1 3 . IB 3 . 0 8 2 . 3 4 3 . 5 2 4 . VS.
Les résultats exposés dans la suite de ce paragraphe, sont obtenus en prenant un rayon.de coupure des intégrales de saut égal à 1,6a ( i .e . entre les seconds et troisièmes voisins); ceci pour pouvoir comparer les énergies de faute basale et prismatique calculées dans les mêmes conditions.
Nous n'avons considéré que les fautes entre deux plans pris-atiques
espacés de zfT/3, pour les mêmes raisons que celles évoquées en IV.3.
Les surfaces y (Fig. V.14) sont très semblables d'un métal à l 'autre, et ont la même forme que celles obtenues avec des potentiels de paire dans le chapitre précédent.
On note la même absence de faute stable et les fautes de vecteurs -<1120> sont encore des fautes de basse énergie, ne nécessitant qu'une faible relaxation.
Nous reprenons, comme définit ion de l'énergie de faute prismatique :
YpHsm. °\ fY (0,2 b) + Y (0,3 b)l
Les énergies de faute rassemblées tableau XV n'ont pu être mesurées expérimenta
lement jusqu'à présent en raison de leurs valeurs élevées.
- 3 6 -
Figure V.14 : Surfaces-y déterminées dans l 'approximation du moment d'ordre deux.
a) Titane
b) Ruthénium
- 6 7 -
TABLEAU XV : Energie de la faute prismatique en erg/cm^ dans l'approximation
du moment d 'ordre deux.
Y Ti Zr Hf Te Re Ru Os Co
60 160 180 200 i j 5 610 525 580 230
La seule es t imat ion , obtenue récemment en microscopie électronique
à haute résolut ion â p a r t i r de l 'étalement des d is locat ions coin dans le
t i t a n e (De Crécy e t a l . , 1983) est en bon accord avec l a valeur calculée :
Y e x p = 150 erg/cm"
Calculé " 1 6 ° e r 9 / c n , Z
Les re laxat ions perpendiculaires au plan de faute sont très s im i la i res
à celles obtenues avec les po ten t ie ls de pa i rs (Chap . IV .3 ) . Nous avons
rassemblé dans le tableau XVI , les valeurs de ces relaxat ions pour les
fautes de vecteurs 0,2 B e t 0,3 b\
-08-
TABLEAU XVI : Valeur des re laxat ions pour les fautes prismatiques dans
l 'approximation du moment d'ordre deux (en unité 10 b ) .
" \ Meta 1
Vecteur de faute -v
Y Ti Zr Hf Te Re Ru Os Co
0,2 b 2 2 2 2 2 2 2 4 2
0,3 b 2 6 6 2 6 8 6 6 6
1 / . 3 . 3 - ENERGIE PE FAUTE DANS LE MODELE AN7S0TK0PE
La con t r ibu t ion de la bande d â l ' énerg ie de faute est maintenant
évaluée en reconstruisant l a densité d 'états à l ' a i d e des dix crémiers couples
de coe f f i c ien ts issus de l a recurs ion, les in tégra les de saut ayant la même
portée que dans l e modèle précédent.
Le calcul a été mené uniquement pour les fautes de vecteurs « l i n é a i r e
à l a d i rec t i on compacte <1120>, avec les re laxat ions obtenues dans le
paragraphe ci-dessus (approximation du moment d 'ordre deux). Comme nous l 'avons
déjà noté, ces re laxat ions sont en e f f e t semblables à cel les obtenues avec des
po ten t ie ls de pa i res;cec i indique qu 'e l les sont probablement déterminées plus
par des raisons géométriques, que par des par t i cuTar i tés du modèle énergétique
c h o i s i .
Nous avons ca lcu lé la cont r ibut ion de la bande d à l 'énergie de faute
l e long d'une sér ie de t r a n s i t i o n , pour un paramètre moyen de décroissance des
in tégra les de saut :
qR = 2,9
-89-
Celu i -c i est par t icu l ièrement bien adapté pour T i , Te et Re. Les
valeurs des paramètres A e t p, obtenues pour cet te valeur de q (Annexe IV) ,
sont rassemblées dans l e tableau XVI I .
TABLEAU XVII : Paramètres (A, p) déterminés dans le modèle anisotrope avec
qRo - 2,9
Y TI Zr Hf Te Re Ru Os Co
Ed(Ryd) -.29 -.37 -.55 -.5B -.72 -.83 -.55 -.67 -.21
fl(Ryd) 800 252 128 311 971 2863 26152 1307B 7056
P(b"*) 1 1 .91 10.39 9. 19 10.22 l l. 11 12. 18 15.05 11.08 11.67
SK'K 32--: 0X ?•'. 20î: -Z-y. -IX IB>. -10X -20X
Les var ia t ions d'énergie sur des s i tes appartenant jusqu'au quatrième
plan vo i s i n du plan de faute ont été prises en compte. Nous avons d'autre
par t v é r i f i é que l a con t r i bu t i on des deux plans suivants (cinquième et
sixième plan vo is in du plan de faute) est négl igeable.
La var ia t ion du terme de bande d est montrée f igure V.15. El le est
typique d'une va r i a t i on dominée par l ' i n f l uence du moment d'ordre deux : i l
n 'y a pas de zéro bien marqué en dehors des bornes.
La légère i r r é g u l a r i t é au niveau des remplissages 2,5 < Z < 5
prov ien t probablement de la ressemblance de la faute avec un empilement des
plans (112) de la s t ruc tu re cubique centrée, s table pour ces remplissages.
De même, les valeurs négatives obtenues pour Z > 9 sont à rapprocher
de l 'observa t ion suivante : l a s t ructure C.C. est tou jours prédite stable en
f i n de sér ie de t r a n s i t i o n , que ce so i t par l e modèle de l ia isons fortes
(Ducastel le et Cyrot Lackmann, 1971; P e t t i f o r , 1970, 1977) ou par des calculs
plus sophistiqués (Andersen e t a l . , 1977; Mac Kintosh e t Andersen, 1980).
90-
Flgure V.15 : Contribution du terme de bande d è l'énergie de faute
prismatique en fonction du nombre d'électrons d.
Figure V.16 : Densité d'états sur un site premier voisin du plan de fauTe ( )
et en vo I urne ( ).
N(E)
B.l
-5 0 S E
Pour ce remplissage, la phase stable est cependant C.F.C.! Ce désaccord entre s tabi l i té prédite (C.C.) et s tab i l i té observée (C.F.C.) est généralement attribué à des problèmes d'autocohérence (Turchi et a l . , 1983), sans être toutefois encore bien compris.
Contrairement aux résultats obtenus par Papon et a l . (1979 b) pour les macles (112) dans les métaux de transition C.C, i l apparaît que l'approximation du moment d'ordre deux se révèle satisfaisante dans le cas de la faute prismatique. Cela revient à dire que, dans ce type de faute, la contribution radiale du terme de bande d 1'emporte assez largement sur la contribution angulaire. I l est à remarquer que pour la faute basale le rapport des contributions radiale et angulaire est inversé.
Nous avons vér i f ié que les variations du rapport c/a et des paramètres ddB ne modifient que de manière minime la courbe de la figure V.15.
Sur la figure V.16 sont portées les densités d'étals locales sur un site premier voisin du plan de faute et sur un site de volume. Ces densités sont obtenues dans les conditions habituelles de calcul :
qR0 = 2,9 portée des intégrales jusqu'aux seconds v ° i s i n s î d C 0 U D U r e - 1 > 6 R
0
Les changements sont plus importants que ceux notés dans le cas de la faute basale. Les transferts de charge, dus au traitement non autocohérent, restent cependant faibles, atteignant au maximum un dixième d'électron par atome.
V.<t - COMPARAISON DES ENERGIES DE FAUTE BASALE ET PRISMATIQUE
Nous avons porté figure V.17 les variations des énergies de faute basale et prismatique le long d'une série de transit io/ i , en interpolant le terme répulsif d'après les valeurs obtenues pour les remplissages des métaux de structure hexagonale compacte.
Bien que cette interpolation soit empirique, la figure V.17
montre bien les tendances le long des séries de transi t ion.
Notons dès à présent le point capital suivant : Le rapport R des énergies de faute basale et prismatique dépend du remplissage électronique. De plus, pour certains remplissages, i l devient supérieur â 1, alors que, dans tous les métaux divalents, 11 est largement inférieur à 1 (plus précisément i l est compris entre 0,2 et 0,6 suivant le métal divalent considéré).
-92-
Flgure V. 17 : Energie de faute basale ( ) et prismatique (— — — — j en
fonction dunombre d'électrons d.
r 2
1
0
-1
0 5 z 10
Lorsqu'on analyse ce rapport suivant le remplissage, i l apparaît
trois cas :
- R > 1 pour les remplissages compris entre 1,5 e t 2,5 (Y, T i , Zr , Hf,
ainsi que pour ceux proches de Z = 7 (Ru, Os). Tous ces métaux ont un glissement
prismatique fac i le .
- R = 1 pour les remplissages proches de Z = 6 (Re, Te) . Expérimentalement,
on observe un glissement basai et un glissement prismatique de même f a c i l i t é .
- R < 1 pour Z = B,5 (Co paramagnêtlque). Co, ferromagnétique dans la
phase H.C., glisse très facilement sur le plan de base.
Ces résultats montrent que : le rapport des énergies de faute basale
et prismatique est très bien corrélê au mode de glissement principal observé
expérimentalement. Rappelons toutefois que ces courbes subissent des
modifications notables, quand on change la portée des Intégrales de saut.
Ainsi, lorsqu'on arrête cette portée aux premiers voisins, l 'énergie
de faute oasale augmente pour les remplissages compris entre 1,5 et 3. Ceci
j u s t i f i e encore miei'x le glissement prismatique fac i le pour les éléments H.C.
des colonnes I I I .A et IV.A. Par contre, l'énergie de la faute basale reste toujours nettement inférieure à celle de la faute prismatique pour les remplissages compris entre 6 et 8, ce qui ne s'accorde pas avec le comportement du rhénium et du ruthénium.
Toutefois le nombre de zéro de ces courbes n'évolue pas suivant la portte des intégrales de saut.
En l'absence de connaissances plus approfondies sur la variation
de ces intégrales suivant la distance interatomique, nous pensons que la
tendance montrée sur la figure V.17 est suffisante pour attribuer la possibil ité
d'un glissement prismatique faci le à 1'anisotropie des orbitales d.
Rappelons en ef fet , que pour tous les potentiels d'interaction de pairesuti l isës, l'énergie de faute prismatique est toujours largement supérieure à l'énergie de faute basale.
Nous portons dans le tableau XVIII les énergies de faute basale et prismatique obtenues pour les métaux de transition dans le calcul anisotrope avec :
- dix coefficients de recursion - des intégrales étendues aux. seconds voisins, avec comme paramètre de
décroissance qR = 2,9
- les valeurs canoniques des paramètres dde, l 'uni té d'énergie étant fixée pour chaque élément de manière â reproduire la largeur de bande réelle.
Compte tenu du rétrécissement du premier domaine de stabi l i té de la phase H.C., produit par les intégrales entre seconds voisins, nous avons pris des valeurs de remplissage électronique plus proches du minimum de la cuvette de s tab i l i té pour 1 (Z = 1,8) et T i , Zr, Hf (Z = 2,3), que celles habituellement utilisées : Z = 1,5 pour Y et Z = 2,5 pour T i , Zr, Hf (Jepsen, 1975; Oepsen et a l . , 1975).
Vu l'importance de la portée des intégrales de saut, ces valeurs doivent être considérées, au mieux, comme des résultats semi-quantitatifs.
Le cas du cobalt montre à quel point i l est délicat de jus t i f ie r le comportement d'un élément part icul ier, en ut i l isant comme seul paramètre, le nombre d'électrons d.
Nous avons obtenu dans le calcul précédent (avec des intégrales de saut étendues aux seconds voisins, et qRo = 2,9) la s tab i l i té de la phase hexagonale compacte pou" le remplissage du cobalt paramagnëtique (Z = 8,4). Or les métaux isoélectroniques (Rh, I r ) sont C.F.C..
TABLEAU XVIII : Valeur en erg cm" des fautes basales (PB),des fautes
prismatiques (FP) et du rapport R = (C 5 6 x FB)/(C44 x FP)
dans les métaux de transition.
Y Ti Zr Hf Te Re Ru Os Co
F.B. 210 290 340 390 470 540 B75 1050 45
F.P. 60 1 10 150 IBS 440 600 520 G00 230
cnib'r.B. 50 SB 40 50 90 60 445
C66»b/F.P. 1B5 125 90 100 80 100 90
R 3.5 2.6 £.3 2.1 1.0 .9 1.7 1.8 .2
TABLEAU XIX : Classification des métaux H.C. suivant le rapport R, et
système de glissement primaire (SGP) observé.
Cd Co M9 Zn Be R» Te Ru Os Hf Zr Tl Y
R .S .2 .25 .25 .6 .9 1 1.7 l.B 2.1 2.3 2.6 3.5
S.G.P. B B B B B B/P - P - , P P P P
-95-
Remarquons que le calcul effectué en tenant compte uniquement des intégrales entre premiers voisins conduit à la stabi l i té de la structure C.F.C. pour le remplissage Z = 8,4. Ceci signif ie que la position précise du zéro, qui sépare le domaine de s tab i l i té de la phase H.C. de celui de la phase C.F.C, dépend de la portée des intégrales de recouvrement ainsi que de leur paramétre de décroissance. Le cobalt se trouvant près de ce zéro, le calcul f a i t avec des paramètres moyens est trop imprécis pour être s ign i f ica t i f .
Cependant la s tabi l i té de la phase H.C. du cobalt peut être expliquée de manière satisfaisante par le caractère ferromagnétique de ce métal. En ef fet , le cobalt, qui est un ferromagnétique fo r t , possède une demi-bande pleine, alorr que l'autre demi-bande contient 3,44 électrons :
Z î =5 Z | = 3,44 (Ishida, 1972)
Cette situation (3,44 électrons sur 5 états) est très comparable à celle du
ruthénium et de l'osmium (7 électrons sur 10 états). Elle explique bien la
s tab i l i té de la phase H.C. pour le cobalt ferromagnétique, et la stabi l i té de
la phase C.F.C. pour les métaux isoëlectroniques (Rh, I r ) non magnétiques.
Le calcul des énergies de faute basale et prismatique pour le cobalt ferromagnétique pose de nouveau le problème de la portée des intégrales de recouvrement.
- Pour une portée réduite aux premiers voisins, on obtient des énergies de faute comparables à celles calculées précédemment (dans le cas du cobalt paramagnétique et avec des intégrales étendues jusqu'aux seconds voisins).
L'énergie de faute basale obtenue y = 45 erg/cm est en bon accord avec les valeurs expérimentales de Korner et Kamthaler (1983) : Y = 27 î 4 erg/cm et d'EHcsson (1966) : y = 31 - 5 erg/cm . Ces deux mesures ont été faites â température ambiante. Si on adopte la lo i de vnriation de l'énergie de faute en fonction de la température, observée par Ericsson (1966) :
Y(T) = 15 - 0,03 (T - 723) ,
on obtient les valeurs expérimentales extrapolées à 0 K :
Korner et Karnthaler : Y e x p = 49 erg/cm2
Ericsson : Y e., p = 53 erg/cm2
Le rapport R = 0,2 rend bien compte du glissement basai fac i le .
-96-
- Pour une portée étendue aux seconds voisins, on obtient une énergie de
faute basale beaucoup plus élevée [y = 240 erg/cm), et un rapport R
comparable à celui du ruthénium et de l'osmium. Ceci n'est compatible ni avec
les mesures expérimentales de l'énergie de faute, ni avec l'observation du
glissement basai faci le.
I l semble probable que le calcul effectue avec des intégrales de saut étendues aux seconds voisins et un paramètre moyen qR = 2,9 ne soit pas adapté au cobalt. Ducastelle (1972) a en effet montré que ces intégrales décroissent plus rapidement en f i n de série de transit ion. Le paramètre de décroissance que nous obtenons pour le cobalt, qR = 4,2, est nettement plus élevé que le paramètre moyen qR = 2,9. Ceci peut indiquer qu ' i l est préférable de ne prendre en compte.dans ce cas que les intégrales de saut entre premiers voisins.
Pour conclure ces deux chapitres concernant les énergies de faute
à 0 K, nous pouvons résumer les résultats obtenus de la manière suivante :
Alors que dans les métaux H.C. diva lents, la faute basale est d'énergie toujours nettement inférieure à celle de la faute prismatique, i l y a compétition dans les métaux de transit ion entre :
- une faute basale stable
- une faute prismatique, qui ne présente pas de s tab i l i té au sens d'un
minimum dans les surfaces-y, mais qui peut être d'énergie inférieure â la
faute basale pour certains remplissages.
Le tableau XIX montre qu ' i l existe une très bonne corrélation entre le rapport des énergies de faute basale et prismatique, et le système de glissement primaire, observé expérimentalement (avec les réserves exprimées ci-dessus concernant les valeurs numériques de ce rapport).
Nous n'avons pas f a i t de calculs explicites pour les métaux H.C. des terres rares. Ceux-ci sont caractérisés par des électrons f très localisés ne participant que très faiblement à la cohésion, et par un remplissage de la bande ci rnmpris entre 1,5 et 2,5 électrons (Johansson et Rosengren, 1975; Duthie et Pett i for, 1977).
La séquence des structures cristall ines (H.C. -*• type samarium •*
double H.C. •+ C.F.C.) observée de droite à gauche dans les éléments trivalents
des terres rares est attribuée à une augmentation progressive du nombre
d 'é lec t rons d , passant de 1,5 à 2,5 (Duthie e t P é t t i f o r , 1977). Cette même
séquence de structures est observée dans les métaux dès terres rares lourdes,
sous pression (McWhan et Stevens, 1965, 1967; Oayaraman e t Sherwood, 1964).
Ces t rans i t i ons ont également été vues dans l ' y t t r i u m sous pression
(Vohra e t a l . , 1981) e t sont dues, là auss i , à une augmentation du nombre
d 'é lect rons d, par des t r ans fe r t s électrons s -» électrons d. Ceci montre que
les propr iétés de cohésion des terres rares sont principalement dues à la
bande d.
On peut dès l o rs prévoir un comportement t rès vo is in des métaux H.C.
des te r res rares lourdes e t de l ' y t t r i u m , qui ont un même remplissage de la
bande d (Z = 1,5). Notre étude expérimentale (Chapitre I I ) a montré que c 'es t
ef fect ivement le cas : l e glissement prismatique apparaît dans tous ces métaux,
comme glissement p r i n c i p a l .
I l se ra i t in téressant de f a i r e des études de déformation plastique
sur des a l l iages de métaux de ter res rares, t e l s que Pr-Gd. Le gadolinium
d o i t t rès probablement posséder un glissement prismatique pr incipal {par
analogie avec le comportement de Tb, Dy et Er ) . En in t rodu isant du praséodyTe,
l e nombre d'électrons d e f f e c t i f augmente e t l ' énerg ie de faute basais d o i t
progressivement diminuer ( F i g . V.18). On peut prévoir une évolution d'un
glissement prismatique pr imaire vers un glissement aussi fac i l e sur le plan de
base que sur le plan pr ismat ique. Une t e l l e évolut ion do i t également sa
produire sous pression pour l a même raison ( i . e . une augmentation progressive
du nombre d'électrons d ) .
Figura V.15 : D i f fé ren ts d 'énergie de l i a i son , par rapport à 13 siruzT.r? ^ .F.C.
des s t ruc tures H.C. ( ), D.H.C. ( ) e t de +yps sarsr iun (—.—.)
en fonct ion du nombre d'électrons d (Duthie et Pé t t i f o r , 1977).
•0! /
^ U ' A 1 N, 2 /•' 1 / ; ,
Kl ^ U '
y . ' ' • ' . / /
—c \s
"/''
•-1 CP - -
-98-
Le rôle de l'anisotropie des orbitales d dans l'apparition du glissement prismatique faci le ayant été mis en évidence dans ce chapitre, i l nous a paru intéressant d'étudier le coeur des dislocations vis dans le cas d'un métal de transit ion, où la faute prismatique a une énergie inférieure â celle de la faute basale. Ceci a surtout pour but de comprendre, au niveau de la description atomique des dislocations vis, comment le glissement prismatiqi peut être le glissement primaire. De plus, cette simulation doit apporter d'ut i les renseignements sur le caractère planaire ou non planaire du coeur de ces dislocations vis, inaccessible jusqu'à présent aux observations expérimentales.
-99-
C H A P I T R E VI
SIMULATION DU COEUR DES DISLOCATIONS VIS 1 <1120> DANS LE TITANE, MÉTAL DE TYPE : Y p / Y f i < 1
VI.1 - INTRODUCTION
Rappelons que la situation où la faute prismatique a une énergie inférieure à celle de la faute basale (Y P/YD < 1) n'est observée que dans les métaux de transition, en tenant compte de Tanisotropie des orbitales d, et seulement pour certains remplissages électroniques.
Dans le chapitre précédent, nous nous sommes surtout intéressés aux tendances, qui apparaissent le long d'une série de transition. Pour simuler le coeur d'une dislocation vis, il nous faut fixer les paramètres (A, p) du terme répulsif ainsi que le nombre d'électrons, intervenant dans le terme attractif.
Nous allons donc particulariser un métal, qui rentre dans la
catégorie Yp/Y B < 1.
Il existe trois possibilités :
- choisir un métal de remplissage compris entre 1,5 et 3,5 avec intégrales de saut limitées aux premiers voisins (voir calcul de Papon; Fig. V.4);
- choisir un métal de remplissage compris entre 1,5 et 2,5 avec des
intégrales de saut, de portée étendue aux seconds voisins (Fig. V.17);
- c.ioisir un métal de remplissage voisin de 7, avec des intégrales de saut également étendues aux seconds voisins (Fig. V.17).
-100-
Comme nous allons le voir par la suite, cette simulation de coeur
nécessite un temps de calcul important. Nous avons donc choisi la première
possibi l i té, où la réduction du nombre d'intégrales de saut prises en compte
diminue sensiblement la durée du calcul.
Parmi les quatre métaux de transition H.C. de remplissage compris entre 1,5 et 3,5 (Y, T i , Zr, Hf), nous avons opté pour le t itane. En ef fet , la bonne étude menée par Naka (1983) sur ce métal, tant en microscopie électronique in s i t u , qu'en microscopie électronique à haute résolution, permet de confronter nos résultats avec certaines observations expérimentales.
Nous exposerons tout d'abord les modalités du calcul, ses hypothèses et les problèmes rencontrés (VI.2). Les résultats obtenus seront décrits en VI.3, et nous concluerons sur leurs conséquences et leur extension possible (VI.4).
V I . 2 - MODALITES DU CALCUL
La simulation d'un coeur de dislocation nécessite les étapes suivantes :
- la construction du cr istal - le choix d'un potentiel interatomique - le choix des conditions aux limites
- une méthode de relaxation ( i . e . de minimisation de l'énergie) - une configuration i n i t i a l e de la dislocation
Précisons tout d'abord que les options choisies pour mener ce travail ont souvent été déterminées par le souci de rendre possible la simulation, en réduisant le temps de calcul.
I/I.2.I - CRISTAL.ET_POrENT|EL_IWT;ERATÛMigUE
Nous avons montré, dans le chapitre précédent, qu'un modèle de liaisonsfortes,avec prise en compte de l'anisotropie des orbitales d, est indispensable pour obtenir un rapport Yp/Yg inférieur â 1. Le choix du remplissage et de la portée des intégrales de saut a été explicité ci-dessus.
Plus précisément, les intégrales de saut sont prises en compte pour
des distances interatomiques inférieures à 1,27 a, où a est la distance entre
plus proches voisins dans le plan de base. (La distance des seconds voisins est
/ T a dans un cristal parfait possédant un rapport c/a idéal égal à JÏÏ/3).
-101-
Ce rayon de coupure des intégrales de saut a été choisi pour obtenir, même près de la dislocation, des densités d'ëtatsdont le moment d'ordre deux reste proche de celui obtenu en volume, en ne considérant que les intégrales entre premiers voisins. Ce cri tère concernant le rayon de coupure a déjà été employé par Turchi et a l . (1983) pour comparer la s tab i l i té relative de différentes phases, n'ayant pas la même compacité.
l/I.Z.2 - ÇÛNDITIÇNS_AUX_aHITES
Dans les simulations de dislocation, on distingue habituellement une région intérieure ( I ) , où les atomes sont autorisés à se relaxer, bordée d'une région extérieure. Celle-ci est :
- soit maintenue fixe dans les positions de la solution élastique du
champ de déplacement de la dislocation (conditions aux limites f ixes);
- soit modifiée, en réponse aux relaxations obtenues dans la région I
(conditions aux limites f lex ib les) .
I l est admis que l'emploi des conditions flexibles permet de diminuer la t a i l l e de la région intérieure, et donc d'abaisser le temps de calcul. (Des art icles de revue ont été écrits sur ce sujet par Perrin (1974) et Puis (1980)).
Nous n'avons adopté aucune de ces conditions aux limites usuelles.
En effet , notre c r i s ta l l i t e étant de ta i l l e restreinte (cylindre de 100 atomes autour de la dislocation), nous avons constaté que le f a i t de t ravai l ler avec des conditions aux limites fixées par le champ élastique des déplacements de la dislocation empêchait une relaxation complète du coeur de la dislocation.
D'autre part, u t i l i ser des conditions flexibles augmente considérable
ment le temps de calcul pour les atomes bordant la région I .
Nous avons donc opté pour des surfaces l ibres, choix qui présente cependant deux inconvénients :
a) Les forces images d'une surface sur une dislocation peuvent modifier la relaxation.
Nous avons vér i f ié sur ce point que le f a i t de rapprocher la
dislocation d'une des surfaces ne modifie pas la forme f inale du coeur,
obtenue après relaxation. Ce résultat n'est pas général et dépend probablement
de la force de f r i c t ion , que le réseau exerce sur la dislocation. Si cette force
est importante, elle empêchera la dislocation de part i r vers la surface. Par
-102-
contre, si la force de f r i c t ion est fa ible, i l est possible que la
dislocation sorte du c r i s t a l l i t e sous l 'e f fe t des seules forces de surface.
b) Les surfaces sont des défauts d'énergie nettement plus élevée que
la dislocation. Les perturbations du réseau sont plus sévères (liaisons coupées),
que les simples distorsions dues à la dislocation. La nécessité d'un calcul
autocohérent concernant la neutralité électrique des atomes de surface est dès
lors une question importante (Allan et Lannoo, 1976; Desjonquères et
Cyrot-Lackmann, 1975).
Nous avons constaté qu'une approche, non autocohérente, et donc moins
prohibitive en temps de calcul , était suffisante pour obtenir une relaxation
de surface correcte (en direction et en importance).
Le bon comportement des surfaces nous a donné une certaine garantie,
quant au traitement non autocohérent pour une dislocation vis, où les problèmes
de transfert de charges sont moins aigus (Sato et Masuda, 1981).
Pour séparer au mieux les relaxations de surface de celles du coeur
de la dislocation, nous avons adopté la procédure suivante :
- dans un premier temps, le c r is ta l l i te sans dislocation est relaxé, ce
qui permet d'observer le comportement des surfaces;
- ensuite, la dislocation vis est introduite dans le c r is ta l l i te relaxé,
et sonénergie est minimisée par l'emploi de la dynamique moléculaire discuté
ci-dessous.
vi . z. 3 - METHOPEJE_MINIMISATIONJE_L;EWERGIEJRELAWTION)
On distingue principalement deux types de méthode :
a) Les méthodes statiques, où l'énergie considérée comme une fonction des
positions atomiques, est minimisée par la technique de gradients conjugués
(Fletcher et Reeves, 1964; art icles de revue de Puis ,1980 ,et Lldiard et
Norgett, 1972 ).
b) Les méthodes dynamiques qui reviennent â intégrer les équations du
mouvement. Outre une plus grande rapidité, la dynamique moléculaire permet de
faire des simulations à température non nulle, en imposant une distribution
i n i t i a l e des vitesses, caractéristique d'une température T ^ O K .
-103-
Nous avons adopté ce procédé de relaxation, en nous restreignant
cependant â l'étude à 0 K. L'annexe VI décrit plus en détail cette méthode, et
les problèmes posés par le calcul numérique de la force, qui nécessite un
emploi i t é ra t i f de la recursion.
Mentionnons seulement que les temps de calcul importants, que demande cette simulation, sont dus à la nécessité de reconstruire les densités d'états, pour chaque atome et à chaque pas de l ' i té ra t ion, avec au moins trois couples de coefficients issus de la recursion (V.2.2.b); ceci afin de reproduire correctement les énergies de faute basale et prismatique.
Cette contrainte est spécifique aux métaux H.C.. Ainsi Masuda et Sato (1978) ont pu effectuer une simulation du coeur des dislocation vis 7<1U> dans les métaux de transit ion C.C., en n'employant que l'approximation du moment d'ordre deux concernant la densité d'états (V.3.Z).
Un calcul analytique de la force peut alors être f a i t , et le temps de calcul est environ cent fois moins important. I l serait cependant ut i le dans ce cas de véri f ier que les résultats n'évoluent pas, lorsque la densité d'états est reconstruite au delà de l'approximation du moment d'ordre deux.
VI.2.4 - IMPûRTAWCE_ÇE_iA_COWFIGURAnOW_IWITIAI.E
Après construction et relaxation du c r i s ta l l i t e sans défaut, la dislocation est introduite par le champ de déplacement élastique de la solution isotrope ou anisotrope. Le c r i s ta l l i t e est rendu in f in i le long de la ligne de dislocation, par des règles de périodicité.
Dans le cas des métaux, i l n'y a pas d'exemple de simulation, où l'emploi de l 'é last ic i té anisotrope dans la configuration in i t ia le a i t apporté des modifications notables à la configuration relaxée, obtenue â partir de la solution isotrope.
L'importance de la position et de la configuration init iales
(dissociée suivant différents schémas ou non dissociée) dépend de l'amplitude des
forces de f r ic t ion dues au réseau. Si celles-ci sont importantes elles peuvent
bloquer l'élargissement ou la constriction du ruban de faute, â une distance, qui
n'est pas celle d'équilibre. Pour prévenir cet inconvénient, différentes configu
rations ini t ia les ont été introduites. La position i n i t i a l e de la dislocation a
été choisie comme une droite contenant des centres d'inversion du c r i s ta l l i t e .
-104-
Lorsque la dislocation est introduite non dissociée, ou lorsque la dissociation admet également ces points comme centre d'inversion, on vér i f ie que cette propriété de symétrie est conservée tout au long de la simulation.
Pour éviter que la relaxation soit piégée par des états métastables, on peut simuler des recuits et trempes successifs (en jouant sur les distributions de vitesses), ce qui augmente la probabilité d'atteindre l 'é tat le plus stable (minimum minimorum). Nous avons préféré part i r de plusieurs configurations in i t ia les , afin de mieux apprécier les niveaux relat i fs des énergies des différentes configurations. I l serait cependant satisfaisant de vér i f ie r , à l'aide de la simulation de 1'activation thermique décrite c i -dessus, que l 'état le plus stable obtenu est réellement l 'é tat minimisant l'énergie de la dislocation, et non un état mëtastable profond. Cette étude devrait être fai te prochainement.
V I . 3 - RESULTATS
Nous présentons tout d'abord la relaxation du c r is ta l l i te parfai t , sans dislocation (VI.3.1). Nous décrirons ensuite les résultats obtenus à part i r d'une dislocation vis -j<1120> non dissociée (VI.3.2), puis dissociée dans le plan de base (VI.3.3), dans le plan prismatique (VI.3.4), et enfin dissociée suivant le schéma proposé par Naka (1983) (VI.3.5).
1/1.3.7 - R§L I W_PU_ÇRIS7;ALLÏTEJAWS_OISL0ÇATIÛW
Le c r is ta l l i te cylindrique, contenant 100 atomes est rendu in f in i dans la direction <1120> par une règle de périodicité. Le motif périodique le long de cette direction est constitué de deux plans (Fig. VI.1).
Une première simulation a été fai te â part i r d'une configuration i n i t i a l e , où le rapport des paramètres cr istal l ins éta i t f ixé à sa valeur expérimentale : c/a = 1,587. Les paramètres (A, p, q ) , tableau XX, sont déterminés en tenant compte de la valeur du rapport c/a (Annexe IV).
Après relaxation, on observe une dilatation suivant Oy (direction
parallèle à l'axe c), et une contraction suivant Ox (direction parallèle à
[ lûTo]). Cette évolution, qui maintient le volume constant, conduit à une
augmentation du rapport c/a d'environ 3,3%. La valeur de ce rapport, à la f i n
de la relaxation, devient, en ef fet , égale â 1,64, ce qui est très proche de
la valeur assurant la compacité idéale [&7T).
-105-
Figure V I .1 : a) Motif périodique du c r i s t a l I î t e e t plans prismatiques "rugueux"
m + m +
* * • * • • • « • #
+ m + H
» + m
" t :Z = 0 * : Z = b / 2
» + » + R + «
[0001] yi
+ « •
• • * m + *
b° (1120)
[1100]
b) plans "rugueux" prismatiques.
-106-
TABLEAU XX : Valeur des paramètres (A, p, q) du t i t a n e pour c/a = 1,587 e t
c/a = 1,64
Titane A P ( R
0"'> .« ( Ro">
c/a = 1,587 356 10,S3 3,01
C/a = 1,64 351 10,67 2,97
Nous avons déjà mentionné (V.2.2.d) que le modèle u t i l i sé , avec
une reconstruction de la densité d'états à l'aide des trois premiers couples
de coefficients issus de la recursion, ne permet pas d'obtenir des rapports
c/a inférieurs à /B/3'pour des remplissages proches de celui du titane (Z =2,5) .
La prise en compte des intégrales de saut entre seconds voisins ne modifie pas ce résultat. Parmi les causes possibles.de ce désaccord avec les valeurs expérimentales, i l est possible d'évoquer un effet d'hybridation s-d; pour de faibles remplissages de la bande d, la prépondérance de cette bande sur les propriétés de cohésion n'est pas assurée.
Si le problême de la valeur du. rapport c/a reste non résolu, i l a le
mérite de decoupler le cr i tère géométrique (valeur de c/a) du critère
énergétique (valeur de YD/Y P ) pour l'apparition du. glissement prismatique
fac i le .
- 1 0 7 -
En e f f e t , l e c r i s t a l que nous simulons, a :
- un rapport c/a égal à 1,64 qui devrai t conduire, d'après l 'expression
de la con t ra in te de Pe ie r l s , S UÛ glissement basai plus f a c i l e que le
glissement pr ismat ique;
- un rapport Yg/Yp > 1 , qui d o i t mener à des d is locat ions plus étendues
sur l e p lan prismatique que sur l e plan basai e t donc â un glissement
prismatique f a c i l e .
Nous avons r e f a i t une s imu la t ion , avec un rapport c/a de la
con f igura t ion i n i t i a l e égal à 1,64. Les paramètres (A, p, q ) , recalculés pour
cet te va leur de c / a , sont rassemblés tableau XX.
Aucune modi f icat ion des paramètres c r i s t a l l i n s n 'est apparue cette
fo i s c i . Le f a i t le plus notable es t la relaxat ion das surfaces et des coins
( F i g . V I . 2 ) .
Figure V I .2 : C r i s ta l l i t e p a r f a i t re laxé .
l l *â - -«»
^ = - n
-:08-
Gupta (1981) a montré, que les potentiels de paires non oscillants conduisent nécessairement à une augmentation de la distance entre la première couche de surface et la suivante (expansion de surface); les distances interplanaires suivantes n'étant pas modifiées par la surface.
Par contre, en employant un modèle de liaisons fortes avec
reconstruction de la densité d'états dans l'approximation du moment d'ordre
deux, Gupta (1981) et Masuda (1982) ont montré que la relaxation de surface
conduit à une contraction de la première couche.
Cette contraction a 'également été obtenue par Allan et Lannoo (1973, 1976), Desjonquëres (1979) et Tarakura et a l . (1981) sur les surfaces (100) de Mo et W, et Tréglia (1983) sur les surfaces (100) du tungstène et du tantale.
Dans notre calcul non autocohérent, avec reconstitution de la densité d'états â l'aide des trois prerui-îrs couples de coefficients issus de la recursion, nous obtenons une faible contraction de la première couche de la surface dense (0001).
sur (0001) : ^ = - 1%
d étant la distance entre les plans (0001).
La contraction du premier plan de la surface {10Î0} est plus importante:
sur {1010} : ^ ^ - 43!
On observe une très légère expansion de la deuxième couche, pour la
surface {10Ï0}, de l'ordre de + 0,5%.
La relaxation plus importante de la surface {10Ï0} est en bon accord
avec les résultats obtenus par Gupta (1981) sur les surfaces (100), (110) et
(111) des métaux de transit ion C.F.C.. Plus le nombre de liaisons coupées est
grand (3 pour la surface (0001), 4 pour la surface {10l0}), plus la
contraction de la première couche est importante.
Nous avons obtenu des relaxations similaires en ut i l isant l'approximation du moment d'ordre deiu pour la densité d'états. L'introduction d'un potentiel de surface, calculé de manière autocohêrente pour obtenir la neutralité électrique sur chaque atome, ne modifie pas sensiblement la relaxation. Ce résultat nous a permis de nous affranchir de minière raisonnable du traitement autocohérent dans les calculs concernant le coeur de la dislocation.
Nous montrons figure VI.3 les densités d'états obtenues avant et après
relaxation sur les deux premières couches des surfaces (0001) et {10Ï0}.
-109-
Flgure VI.5
N(E)
De-s.iti d'états sur le première
cc.:he se \î surface CX'. )
relaxée
non relaie
— . . — s- vrij-e
(a)
NIE!
! i
/
i
V: -->'' \
S E
lb) le)
De-EifÉ d'i-=*5 SJ r la pre-ière I b) e-* la de.»iè".e cojche ( c) d= !E E.--=:e
{IOTO}
rela«ée
n c * relaxée
—.,—,, en vol une
-110-
Les trois couples de coefficients pris en compte pour reconstruire la densité
d'états sont insuffisants pour analyser de manière détaillée ces densités. I l
serait intéressant de les reconstruire avec un nombre plus élevé de coefficients.
Les énergies de surface non relaxée et relaxée sont les suivantes :
(0001) {IOTO}
non relaxée 795 790
relaxée 750 735
Energie de surface en erg/cm dans le t i t a n e .
1/1.3.2 - ?ISL0ÇATI0N_|/IS-j <1120>_W0N_ÇISS0ÇIEE
Nous avons introduit , dans le cr is ta l l i te précédemment relaxé, une
dislocation vis -j <1120> en imposant initialement aux atomes les déplacements
issus du champ élastique isotrope de la dislocation.
La solution élastique i n i t i a l e est représentée figure VI.4 à l'aide
de la notation des déplacements re la t i fs (Vitek et a l . , 1970). Les atomes sont
figurés par des croix, et la composante parallèle à <1120> (direction du vecteur
de Burgers, orthogonale au plan de représentation) des déplacements relatifs
des premiers voisins d'un atome est représentée par un t r a i t entre les atomes
correspondants. Le t ra i t est centré sur le milieu du vecteur joignant les deux
atomes. La longueur du t ra i t est proportionnelle à la grandeur du déplacement
re la t i f ramenée entre - b/2 et b/2, et normalisée de manière â ce qu'un t ra i t
joignant deux atomes représente un déplacement relat i . ' oe (b/2|.
-Ill-
Figure VI.4 : Configuration élastique d'une dislocation vis non dissociés.
[0001]
b°
* - + • • - • - + - + - + - * - +
• - +
• •
+ • +
. J . I . « \ • \ . \
- + - • - + — + - • - •
• • + - + — * + - • •
- • w \ / \ / \ 1 \
* \ ' \ • \ / * / ^ t + - + - • - + — + - + -
\ • \ . \ . \ 1 . r •
* •
• +
• * • - • *
- +
t •
+ • + - + . + •. + - + . + . + • •* - +
[1100] (1120)
Nous avons placé la d is loca t ion au centre du c r i s t M l i t e , entre deux
plans de base e t deux plans prismatiques considérés comme rugueux ( i . a . dans
l'espacement maximal entre deux plans prismatiques, f igure V I . 2 ) .
La s imulat ion est arrêtée au bout de 25 pas d ' i t é r a t i o n , alors que _3
la d iminut ion d'énergie entre chaque pas est i n f é r i eu re à 10 eV/b.
A T i ssue de ce t te r e l a x a t i o n , l ' énerg ie de la d is locat ion (pour les
cent rangées atomiques) a fortement diminuée :
Mnon relaxée = 1 0 3 e y / b
yrelaxëe _ 0 ^ B e V / b
La conf igura t ion f i n a l e , exposée f igure V I . 5 , met en évidence les points
suivants :
a) Une légère ex tens ion , principalement sur l e plan de base, mais égalemen
sur l e plan pr ismat ique.
-112-
Fîgure VI.5 : Configuration relaxée d'une dislocation vis non dissociée.
• - • • •
• • + - * - + - * - • - • - • * + • •
« . . + - + - • - 4 . — * - + - • . + . +
. , > , . / , / > / » • >
' > ' \ / \ / \ / \ / \ / N / \ ' \ / \ A y \ / N « . i . » / » / 1 /
* - + - • — • - • -
[0001] y*
- o b [ft oo]
(1120)
b) Des étalements "secondaires" ( i .e . de moindre importance) sur les plans de base adjacents à celui contenant la ligne de dislocation. Le plan {1010} n'étant pas un plan de symétrie, les étalements secondaires ne possèdent, comme symétrie, que celle du centre d'inversion, situé sur la ligne de dislocation et déjà mentionné en VI.2.4. Ces étalements secondaires avaient déjà été obtenus par Basinski et a l . (1970, f i g . 8 i i ) , dans le cas d'une dislocation vis i<1120> dissociée dans le plan basai dans Na (qui possède une phase H.C. •S très basse température). Ces auteurs n'en font cependant pas mention, sans doute du fa i t que ces étalements, parallèles au plan de base, ne constituent pas des obstacles au glissement basai facile observé dans leur étude.
Malgré le faible nombre de simulations faites sur les dislocations
dans les métaux de structure H.C, i l est probable que l'asymétrie de ces
étalements provient de la géométrie du réseau, et non du modèle énergétique
choisi. En effet , cette asymétrie est déjà observable dans la solution
élastique (Fig. VI.4), et n'est qu'accentuée par la relaxation.
-113-
1/1.3.3 - ÇI5LÛÇATI0NI/IS ^ <IlIS?_?I-??5Ç裏-ÇA^-t§-?tAW_ǧ_BASE
I l est â noter que les simulations du coeur des dis locat ions vis
i <112D> f a i t e s jusqu'à présent (Basinski e t a l . , 1970, 1971; Bacon e t Mar t in ,
1981), ont toujours conduit à une d issoc iat ion spontanée en deux dis locat ions
p a r t i e l l e s de Shockley dans le plan de base. Rappelons que ces simulations ont
été f a i t e s avec des potent ie ls de paires qui conduisent à des rapports YD/YD < 1
(nous ne l 'avons cependant pas v é r i f i é pour l e potent ie l employé par Basinsk i ) .
L'étude du paragraphe précédent n'a pas conduit â cet te d issociat ion
dans le plan de base. Ceci n 'es t dû, ni aux condit ions aux l i m i t e s , ni au mode
de re l axa t i on .
En e f f e t , en ef fectuant une simulation avec l 'approximat ion du moment
d'ordre deux concernant la densité d ' é t a t s , qui conduit à une faute basale
d'énergie n u l l e , e t une faute prismatique d'énergie vois ine de ce l le obtenue dans
le modèle anisotrope.on obt ien t une d issociat ion spontanée en'deux pa r t i e l l es de
Shockley, qui traversent tou t le c r i s t a l l i t e (F ig . V I . 6 ) . Les forces présentes
dans ce cas sont la répulsion entre les pa r t i e l l es e t l ' a t t r a c t i o n des surfaces
sur les p a r t i e l l e s . L'énergie de faute basale étant n u l l e , aucune force n'empêche
les p a r t i e l l e s de s o r t i r du c r i s t a l l i t e .
Figure VI.6 : Configuration obtenue à pa r t i r d'une d i s loca t ion vis non dissociée
dans l 'approximation du moment d'ordre deux.
• • + • +
AAVWvVW
toooi] y
. . + . + . + . + •
+ . + . + ' + • •
z
b [fioo] (1120)
-114-
Pour véri f ier s ' i l existe une configuration stable ou métastable, dans
le plan de base avec le modèle anisotrope, nous avons introduit une dislocation faiblement dissociée dans le plan de base. La distance de dissociation (a/?)
est te l l e qu'elle minimise l'énergie élastique de la dislocation non relaxée.
Rappelons que l'énergie de faute basale, dans le modèle anisotrope, avec des 2
intégrales restreintes aux premiers voisins, s'élève â 370 erg/cm .
Nous montrons figure VI.7 la configuration élastique in i t i a le , et la
configuration relaxée obtenue après 25 pas.
Le point fondamental est le suivant : la configuration dissociée sur
le plan de base est d'énergie nettement plus élevée (+ 27%) que la configuration
non dissociée obtenue précéderrment.
En ef fet , alors que les énergies des configurations issues de la
solution élastique sont égales :
..élastique _ p last ique _ , 0 3 v / b
"(config. basale) " "(config. non dissociée) " 1 , U J e ï / D
les énergies des configurations relaxées montrent que la configuration basale
n'est qu'un état métastable :
C o a s s o c i é e " ° ' 6 6 e V ' b
Se - ° ' 8 4 e V / b
Le f a i t de ne pas revenir au cours de la relaxation â la configuration plus stable, obtenue à part ir de la configuration non dissociée montre qu ' i l y a un certain col d'énergie à franchir pour passer d'une configuration à une autre. I l serait intéressant de voir s i , par une simulation de "recuits" et de "trempes" successifs, la configuration basale évolue vers la configuration non dissociée.
VI.Î.4 - VlSLOCmONJlS ^ <1120>.ETALEEJANS_!:E_P!:AW_PRISMATigUE
Les surfaces-y sur les plans prismatiques (V.3.2) suggèrent la possibi l i té d'un étalement continu du coeur des dislocations vis i<H20> sur ces plans prismatiques.
Pour étudier l'existence et la stabi l i té d'un te l étalement, nous
avons introduit initialement des configurations formées de 200 dislocations vis
de vecteur de Burgers b/200, placées régulièrement dans le plan prismatique sur
une largeur variant de c à 4c.
-115-
Figure V I .7 : Conf igurat ion é las t ique (a) et relaxée (b) d'une disloc^Ticn v is dissociée dans le plan basai.
[ 0 0 0 1 ] Y*
b°
» . , . • . • - • - • . • - » • • • •
« . « . • . • - » - + - • - • • * • •
• . « . » - » - • - • - • - * • • • • , , . , , / , , . , . > \ • I . . . •
.Y .Y, Y /\7\7\ / ^"- * : • * . • . • - « . _ « . - • - • - * - • - +
• - • . • . • - » - • - • - » • * • •
» . • . • - » - • - • - • - • - » - *
* . * . » . » . • - * - + - • • • • •
——x (1120)
• . • . • - • - + - • - • - • • • • •
» . , . * . • - • - • - • - • • • • •
« . • . » . • - + - • - • - • - • • •
, . \ . \ . \ - » < « i
4 . . • - • - • - • - • - » • • • • • •
, , . / . / . / • / • ' • • • • • ' • • . • . » . . _ * - / - • - • • • • •
> W \ / \ / \ / \ / \ ' \ / N ' » ' + . • . . . . » - Y - V - • - • • • • •
. . , . , . . » . / • / > / • » • « •
. . • . • . « - • - • - • - • • • • • . % . » . v . ^ • \ • v
• - » . • . • - • - • - • • • • • • •
• . • . « . • - • - • - * • • • • • •
. . . « . » • % • » • . » . * . » - • - • - • • • • • • •
(a)
(b)
-116-
La configuration relaxée de moindre énergie est celle obtenue â
part i r d'un étalement i n i t i a l de largeur égale à 2c. On désignera par la
suite cette configuration par s e l a s t et s 1 ^ 1 3 " 6 6 , suivant qu ' i l s'agit de
la configuration élastique in i t i a le ou de la configuration relaxée.
Quand on introduit un étalement de plus faible largeur (égale à c) , la relaxation provoque un élargissement de l'étalement sans toutefois
a largeu* ..relaxée
atteindre la largeur de s r e l a x e e . L'énergie de la configuration est supérieure
à celle de S r
Un étalement i n i t i a l de 3c conduit, après relaxation,à s a x e e . Lorsque la configuration i n i t i a l e a une largeur de 4c, on constate une diminution de l'étalement après relaxation, sans cependant atteindre S r e a x e e . L'énergie de la configuration obtenue est alors supérieure à celle de S1^ a x e e .
|r*p1 a VPP
Toutes ces simulations montrent que S est une configuration stable.
Le résultat essentiel est que la configuration étalée sur le plan
prismatique, s P e U ' x e e
i esf d'énergie inférieure à la configuration obtenue
à partir de la dislocation non dissociée.
Notons que ce résultat est conservé, lorsqu'on considère les
énergies respectives des configurations ini t ia les élastiques :
M ( S e 1 a s t ) = 0,96 eV/b
W ( s r e l a x é e ) = 0,60 eV/b
Rappelons que la configuration non dissociée donne :
W é l a s = 1,03 eV/b
W r e l a x = 0,66 eV/b
Ceci est supérieur d'environ 102 aux énergies de la configuration prismatique.
La figure VI.8 montre les configurations s e 1 a s t et s r d l a x e e . t *a l a y a p
S se caractérise par un étalement prismatique prépondérant. On remarque de nouveau des étalements secondaires asymétriques sur les plans de base. Ces étalements sont déjà présents dans la configuration êlastiqua, mais sont accentués par la relaxation.
-117-
Figure VI.8 : Configuration élastique (a) et relaxée (b) d'une disloca-ion vis étalée dans le plan prismatique.
[0001] y i
b°
• • • - • - 4 - 4 - 4 - 4 - 4 * + - •
4 • * • 4 - + - 4 — 4 - 4 - 4
4 - 4
* 4 •
4 * *
4. - 4
• 4 •
V • + •
• 4 .
4 • 4 •
4 - 4 - 4 — 4 - 4 - 4 * \ / \ / \ / \ * \ * y
• . • - . 4 -
» \ / \ / \ / \ l s ' 4 . 4 . + \ - 4 . 4 . « ' » ' \ / \ / » / « 4 - + - 4 — 4 - 4 - 4
4 . - + - 4 — 4 - * - + -
4 - 4
* 4 •
4 * *
4. - 4
(a)
(1120)
[1100]
4 - 4 • + - + - + . * - + - * - - • • +
• . 4
4 • 4 -
• • 4
4 • 4 •
4 • •
- + - + - + _ + _ + - +
• • * * • \ ' N ' x * + - + - 1 . — . + - + - +
* / \ / \ / S i \ * x - 4 . + . *_ ¥ . 4 . ^
«. . 4 • i -> . • . * \ • \ ê \ / \ / \ , x
. • . + - • — • - + . <
• * ' • + • 4 * » * t . 4 .
\ 1 » 1 • 4 - 4
(b)
-118-
Nous avons également introduit la dislocation vis sous la forme
dissociée, proposée par Régnier (1969)
b •+ b/3 + 2b/3
La configuration élastique in i t ia le (Fia. VI .9) , où les partielles sont
séparées de 2c, conduit après relaxation, â la configuration S r e a x e e . Ceci
confirme la stabi l i té de s r e ' a x e u , ainsi que l ' i ns tab i l i t é de la configuration
proposée par Régnier, déjà prévisible à part ir de la forme des surfaces-y.
VI.3.5 - PISLÛÇATI0N J/IS y <U2^_m^îîl^Â,ll^¥..\:^A^?^-'^Ml^:Alïill :
Cette dissociation, proposée par Naka par analogie avec la structure
de coeur non planaire des dislocations vis • y < 1 l 1 > des métaux C.C., conduit
à la configuration élastique montrée figure VI.10,
Cette dissociation se compose d'un étalement sur le plan prismatique
et de deux étalements symétriques sur les plans pyramidaux de première espèce.
L'énergie de la configuration non relaxée est largement supérieure à celle de la configuration s e 1 a s t 1 9 u e .
Mal a ypp
relaxation conduit à la configuration S , avec la constriction des
Ceci confirme de nouveau la stabi l i té de S , et infirme celle
Tout comme dans le cas de la dissociation proposée par Régnier, la Mal a ypp
n conduit à la configuration S , avec la partielles î/6, qui se trouvaient sur le plan pyramidal
Ceci coi
du modèle de Naka.
VI A - DISCUSSION
Les simulations du coeur des dislocations vis »<1120> précédemment
décrites ont été menées pour un remplissage de la bande d de 2,5 électrons, et
des paramètres (A, p, q) adaptés au titane.
Les résultats essentiels, obtenus dans cette étude, sont les suivants
a) La configuration de moindre énergie des dislocations vis -j <1120> est
étendue principalement dans le plan prismatique, sur une largeur de 2c - 9 A,
sans qu ' i l y a i t une faute d'empilement bien définie. Cette configuration est
probablement rendue sessile par des étalements secondaires sur les plans basais
(Fig. VI.8).
-119-
Fîgure VI .9 : Conf igurat ion é last ique obtenue d'après le modèle de Sâ'jniar.
[ 0 0 0 1 ] y i
b°
+ - + • • • • - • » • - + - • - • • • - •
+ . * • • - + - + — • -
- * \ f\/ \ l * • • + • + •
+ . + . + - r_ t . + . + • +
'A' ' / : A /
2b/3
+ - • • + • • • + — + • • •
o ' \ ' • • • * - + - + - + - + — + - + -
b/3
[1100] (1120)
Figure V I . 10 : Conf igurat ion é las t ique obtenue d'epr-is le - c r i i e -e
[ 0 0 0 1 ] y i
b°
+ • • • • — + . + — + . •
/ • • \ /\
• • • • + • + • < r - * — • • . t • t • • • •
v • • • • + . • • + — — • . + • + . + . t
* - . . . • . + - + . * * . . + . + . * . +
( / > , . ,
[1100]
(1120)
-120-
b) Cette configuration stable est entourée de configurations mëtastables,
également étendues dans le plan prismatique, mais avec des largeurs d'étalement
supérieures ou inférieures à 2c.
c) I l existe une position raétastable d'énergie plus élevée (+ 10%), très
faiblement étalée sur le plan de base et sur le plan prismatique (Fig. VI.5).
d) Enfin, alors que toutes les simulations antérieures menées avec des
potentiels de paires conduisaient â une dissociation sur le plan de base, nous
trouvons que la configuration métastable dissociée sur le plan basal (Fig. VI.7),
possède une énergie nettement supérieure (+ 40Ï) à celle de la configuration
stable étalée sur le plan prismatique.
Nous pensons que cette étude, effectuée avec des paramètres (A, p, q) adaptés au t i tane, peut s'étendre aux éléments iso-électroniques : zirconium, hafnium, ainsi qu'à 1'yttrium, de remplissage électronique voisin et possédant un rapport Yg/Yp assez proche de celui du titane. Son extension au ruthénium et â l'osmium (Z = 7) doit être possible, avec cependant la réserve suivante : le rapport YR/YDI pour ce remplissage, est voisin de celui du titane, à condition de prendre en compte les intégrales de saut entre seconds voisins. I l ne faut pas exclure la possibilité d'une modification du coeur des dislocations vis due à ces intégrales.
I l est cependant probable que la prépondérance de l'étalement prisma
tique ou basai est régie par la valeur du rapport YR/Y D> indépendamment des
intégrales prises en compte pour l 'obtenir.
I l faut noter une différence très importante entre l'étalement prismatique et l'étalement basai, quant â ses conséquences sur la mobilité des dislocations vis.
a) Lorsque la dislocation est dissociée sur le plan de base, i l n'y a pas d'étalement prismatique secondaire. On observe des étalements secondaires dans les plans de base, adjacents au plan de dissociation, qui ne constituent pas
des obstacles pour la propagation de la dislocation. Celle-ci a une configuration g l i ss i le .
b) Lorsque l'étalement prismatique est prédominant, on observe encore ces
étalements secondaires sur le plan de base. La dislocation est sinon sessile,
du moins soumise â une forte force de f r ic t ion due à ces étalements secondaires
non parallèles au plan d'étalement principal.
- 1 2 1 -
Unesimulation sous contrainte serait nécessaire, pour mieux
comprendre la propagation des dislocations vis dans ce cas. Y a- t - i l en effet
constriction des étalements secondaires pour permettre le glissement sur le
plan prismatique, ou la dislocation peut-elle glisser dans sa forme d'équilibre
(Fig. VI.8), mais avec une "montée" des étalements secondaires ?
Dans la présente étude,il ressort déjà que,le coeur des dislocations vis 4 <H20> n'étant pas planaire, la contrainte nécessaire pour déclencher le glissement de ces dislocations est certainement élevée, et la mobilité des dislocations vis et des dislocations coin doit être différente. Ceci est effectivement observé dans le t i tane, où Naka (1983) a obtenu un rapport entre les vitesses de propagation des dislocations non vis et vis supérieur à 3 à 373 K. Notons qu' i l est possible que les dislocations coin -j<l l20> de ligne parallèle à c" (dislocation coin dans le plan prismatique) possèdent des étalements secondaires sur les plans de base, sans doute moins importants que ceux d'une dislocation vis. Ceci expliquerait que le rapport des mobilités relatives soit inférieur à ceux obtenus dans Us métaux de structure C.C. (Louchet, 1976) où les dislocations coin ont une configuration de coeur planaire (Yamaguchi et Vitek, 1973; De Hosson et Sleeswyk, 1975; Adams et a l . , 1977). Une simulation du coeur des dislocations coin serait intéressante pour éclairer ce point.
Nous ne ferons que rappeler les propriétés liées à une structure non
planaire des dislocations vis. Ces propriétés ne dépendent pas de la structure
exacte du coeur, mais ne sont dues qu'à son caractère non planaire. Elles ont
été observées et analysées par Naka (1983), à l'aide de son modèle de
dissociation dont notre simulation montre l ' i ns tab i l i té . Cependant, l'analyse y p l a y p p
n'est pas modifiée si on adopte la configuration s =, plutôt que celle proposée par Naka.
Ces propriétés, observées également dans les métaux de structure
cubique centrée, sont les suivantes :
- le non respect de la lo i de Schmidj
- une forte dépendance, dans le domaine des basses températures, de la l imite élastique envers la température.
I l est â noter également qu'une structure non planaire du coeur des
dislocations vis peut modifier assez fortement l ' interaction dislocation-
défaut ponctuel décrite par l ' é las t i c i té . Ainsi Sob et a l . (1975) et Naka (1983)
ont tenté d'expliquer l 'e f fe t de durcissement des in ters t i t ie ls à basse
température dans le titane par une forte interaction entre la structure de
coeur et les in ters t i t ie ls .
-Î22-
Nous terminerons ce chapitre, en remarquant que la largeur 1 de l'étalement prismatique obtenue pour la dislocation vis - j<i l20> dans le t i tane
.simulé, „ ; 'vis = 2c ^ 9 A
est en bon accord avec celle observée en mitroscopie électronique à haute résolution (De Crécy et a l . , 1983) pour la dislocation coin - j<i i20>, également dans le titane :
^ s e r v é ^ o coin
Cette valeur expérimentale conduit à une largeur des dislocations vis égale à :
v : coefficient de Poisson,
si on admet que le changement de la structure du coeur entre dislocations vis et coin ne modifie pas la largeur de l'étalement principal.
-123-
CONCLUSION
Ce travail avait pour but de comprendre les raisons de l'apparition du glissement basai ou du glissement prismatique comme système de glissement primaire dans les métaux de structure hexagonale compacte.
Les explications proposées jusqu'à présent étaient largement
empiriques et n'expliquaient pas l'ensemble des résultats expérimentaux connus.
De plus, ceux-ci étaient for t incomplets. En effet, le comportement des métaux
H.C. de la série des terres rares, qui représentent plus d'un t iers des métaux
H.C, éta i t pratiquement inconnu.
Notre travail expérimental, portant sur trois métaux des terres rares (Er, Dy et Tb), montre que le glissement prismatique est le système de glissemc-vit principal dans ces métaux. Ce résultat peut probablement s'étendre à l'ensemble des métaux H.C. de la série des terres rares. Dès lors, le glissement prismatique facile est loin d'être une part iculari té de quelques métaux isolés (T i , Zr, Hf), comme i l étai t parfois'perçu jusqu'à présent. Ce glissement apparaît au contraire comme le système de glissement principal pour plus de la moitié des métaux de structure H.C.
L'analyse de l'ensemble des résultats expérimentaux concernant les métaux H.C. montre clairement que le "choix" du système de glissement principal est une propriété isoëlectronique : tous les métaux divalents ont un glissement basai fac i le , et les métaux de transit ion ont un comportement qui évolue avec le remplissage de la bande d. Notre travail théorique s'appuie principalement sur cette observation.
La nature de la liaison interatomique peut intervenir soit dans les modes de dissociation des dislocations responsables du glissement, soit plus généralement sur les propriétés du coeur de ces dislocations.
Nous avons donc en premier l ieu calculé les énergies de faute sur le plan basai et sur le plan prismatique pour les métaux divalents et les métaux de transit ion.
La théorie des pseudopotentiels est bien adaptée pour évaluer ces
énergies dans les métaux divalents, alors que le modèle des liaisons fortes,
prenant en compte la nature plus localisée des électrons d, permet de trai ter
le cas des métaux de transit ion.
Les résultats obtenus montrent que l'énergie de faute basale est toujours inférieure à l'énergie de faute prismatique dans les métaux divalents.
-124-
Ceci n'est pas le cas dans les métaux de transition où, pour certains
remplissages, l'énergie de faute prismatique devient inférieure à l'énergie
de faute basaie.
Si on considère le rapport R des énergies de faute corrigées par les
modules élastiques intervenant dans les propriétés de dissociat ion, on obtient
une excellente corrélation entre ce rapport et le système de glissement
principal :
- R < 1 : glissement basai principal (Be, Mg, In, Cd, Co)
- R - 1 : glissements basai et prismatique de même facilité (Re et probablement Ta)
- R > 1 : glissement prismatique principal Cî, Ti, Zr, Hf, Ru, terres rares et probablement Os)
n „ _ énergie de faute basale x 66
~ énergie de faute prismatique C.4
Le succès de cette corrélation confirme qu' i l est essentiel de tenir compte de Vanisotropie des orbitales d pour expliquer l'apparition du glissement prismatique faci le.
Toutefois, la fac i l i té de dissociation dans les plans basai et
prismatique n'est reliée à la valeur des énergies de faute dans ces plans de
façon signif icative que dans la mesure ou celles-ci ne sont pas trop importantes.
Ainsi , les valeurs peu élevées de l'énergie de faute basale obtenues dans les métaux divalents conduisent à une dissociation ou du moins à un large étalement des dislocations vis i<1120> dans le plan de base, qui permet d'expliquer la prépondérance du glissement basai.
Par contre, les valeurs importantes des énergies de faute obtenues dans les métaux de transition (à l'exception du cobalt) rendent impropre la description en terme de dislocations dissociées et de faute d'empilement. I l est dès lors nécessaire d'étudier dans ce cas la structure de coeur des dislocations vis i <1120>, d'autant plus que certains résultats expérimentaux (Naka, 1983) suggèrent une structure non planaire du coeur de ces dislocations.
Nous avons obtenu, en employant conjointement le modèle de liaisons
fortes e t un algorithme dynamique de relaxation, la structure de coeur de ces
dislocations dans le t i tane . Celle-ci consiste en un étalement principal dans
le plan prismatique et des étalements secondaires dans les plans basais, qui
rendent la configuration sessile. \1
-125-
A l ' i ssue de notre t r a v a i l , nous pouvons proposer une expl icat ion
sa t i s fa i san te aux analogies su ivantes, souvent suggérées :
- analogie entre l e glissement basai f ac i l e et l e glissement dans les
métaux de s t ructure C.F.C.
- analogie entre le glissement prismatique f a c i l e e t l e glissement dans
les métaux de structure C.C.
Dans le premier cas, les dis locat ions sont dissociées ou largement
étalées de manière p lana i re , donc g l i s s i l e , sur le plan dt glissement
(basai dans les H.C., (111) dans les C.F.C.).
Dans le second cas, les d is locat ions vis ont une conf igurat ion
d ' é q u i l i b r e sess i le .
Cependant, le caractère sessi le des d is locat ions v is •*• <111> des C.C.
peut ê t re prévu â p a r t i r de considérat ions géométriques, a lors que la s t ruc ture
complexe du coeur des d is locat ions v is i < l i 2 0 > dans l e cas du glissement
prismatique f a c i l e est intimement l i é e à 1'anisotropie des o rb i ta les d
intervenant dans la l i a i son atomique.
Si notre étude s 'es t r es t re i n te aux métaux de s t ruc tu re H.C., les
techniques employées e t la démarche u t i l i s é e ont un champ d 'app l ica t ion plus
étendu.
Quant â la technique, nous pensons que l 'emploi conjugué de la
dynamique moléculaire e t du modèle de l ia isons for tes peut se révéler fructueux
dans l 'é tude de certains phénomènes. Nous pensons en p a r t i c u l i e r â ceux qui
dépendent à la fo is de la température et de la nature de l a l i a i son interatomique
des métaux de t r a n s i t i o n . A i n s i , l 'é tude des reconstruct ions de surface dans
ces métaux pour ra i t être envisagée malgré des temps de ca lcu l encore importants.
Quant à la démarche que nous avons adoptée pour l 'é tude des métaux
H.C. e l l e do i t pouvoir s 'étendre au cas des a l l iages ordonnés de st ructure
L l 2 ou Bg. Les modes de glissement dans ces a l l iages dépendent en e f f e t des
valeurs re la t i ves des d i f fé ren tes fautes d'empilement e t des parois d'antiphase.
Les calcu ls des énergies de fautes sont possibles dans les a l l iages de métaux
de t r a n s i t i o n et devraient conduire pour ceux-ci à des ré- .u l tats intéressants.
-126 -
ANNEXE I
Analyse semi-quantitative des échantillons de dysprosium, d'erbium
et de terbium par spectrométrie de masse par étincelle (en ppm poids), et
dosage en hydrogène et oxygène.
TABLEAU I : Dysprosium
Ag Al Ba Ca Cd Ce Cl Co Cr Fe Gd Ho K
5 160 0,2 3 0,6 3,5 2 5 15 30 2 60 4
La Lu Mg Mn Na Nd Ni Pb Pr Si Sm Ti Tm
110 3 0,7 1,5 5 1,5 10 10 2 2,5 1,5 0,5 4
0 2 : 350 ±35 H2 : 55 - 5
Autres éléments : < 0,1
TABLEAU I I : Erbium
Ag Al Ba Ca Cd Ce Co Cr Fe Gd Ho K La
<0,1 60 0,2 20 <0,2 9 0,5 15 35 20 240 6 40
Lu Mg Mn Nd Ni Pb Pr Si Sm Ti Tb Y Zn oy
60 2 2,5 10 40 6 300 1,5 <0,3 <0,1 7 <0,1 2 60
Tb Y Zn
< 3 14 1
0 2 : 1230 î 120 H 2 : 120 - 10
-127-
TABLEAU III : Terbium
AT Ba Ca Cd Ce Cl Co Cr Cu oy Er Fe Gd
17 0,1 0,9 0,1 1 1 0,3 4 3 140 7 13 1,6
Ho K La Mn Na Nd Ni Pb Pr S Se Se Si
1 0,9 9 0,6 0,7 0,6 2,7 0,2 6 0,7 5 0,4 2
Sm Ti Tm Y Yb
0,3 0,1 2 20 0,5
I 0 2 (en %) : 2,1 - 0,2 H g (en ppm) : 95 t 10
-128-
ANNEXE II
DÉTERMINATION DES ZONES EN TENSION
ET EN COMPRESSION AU COURS DU MACLAGE
Lorsqu'on analyse la déformation que subit un cr ista l au cours du
maclage, on doit envisager deux plans de référence importants (Fig. A I I . 1 ) .
I l s 'ag i t des plans tels qu'un cercle tracé â leur surface ne se déforme pas
au cours du maclage. L'un deux, K., est le plan de macle et contient la
direction de glissement n,; l ' au t re , Ko, avant le maclage devient K, après
déformation. I l f a i t avec le premier un angle déterminé par l'importance du
cisaillement.
Figure A.11.1 : Cisail lement homogène au cours du maclage. Le plan non
déformé K. (plan de macle) et le plan K sont normaux.au plan de f igure
Leur in tersect ion est normale à la d i rec t ion de c isa i l l ement .
Le cisaillement est défini par la distance s dont se déplace un
point situé à une distance unitaire de K.. Si 2$ est l 'angle entre les plans
tient :
tg 2$ = 2/s
Kj et Kg, on obtient
-129-
Les plans K. et K? divisent en quatre domaines la sphère de
référence sur laquelle on peut porter l'orientation des axes du cristal. Un
échantillon dont l'axe de compression se trouve dans l'une des deux régions
délimitées par l'angle aigu séparant K, de Ko, est raccourci par la formation
d'une macle, alors qu'un échantillon dont Taxe est situé dans l'angle obtus
est allongé.
Les figures Ail.2 et AU.3 montrent les domaines se trouvant en
tension ou en compression lors du maclage {1012} et {112D.
Ces figures montrent bien qu'il n'existe qu'un domaine très restreint,
proche de l'axe c, où ces deux systèmes de macles ne peuvent pas apparaître en
compression. Malheureusement, ce domaine n'est pas favorable à l'étude des
glissements basai et prismatique, car le facteur de Schmid pour ces glissements
y est très faible !
Figure A.II.2 : Les macles {1012}
produisent :
I : une compression
IV : une extension
II, 111 : les deux
(c/a = 1,5=)
(000!) 0110)
(0001
(1120)
Figure A.II.3 : Les macles {1121} produisent
1 : une compression
IV : une extension
II, III : les deux
(c/a = 1,58)
(0110)
-130-
ANNEXE I I I
PSEUDOPOTENTIELS ET POTENTIELS DE LENNARD-JONES UTILISÉS DANS LE
CHAPITRE IV
Nous présentons f igure A . I I I . l les pseudopotentiels ut i l isés pour le calcul des fautes basales et prismatiques.
Figure A . I I I . l
(a) Be
(Duesbery et Taylor, 1979) (b) Mg (Dagens et a l . , 157J)
.9 I 1.1 I C.I tit
(c) Zn
(Animalu et Heine, 1965)
UV1
(d) Cd
(Animalu et Heine, 19r5)
131-
La critique justifiée que l'on peut faire â la méthode de sommation
des interactions entre atomes dans l'espace direct, est sa dépendance envers
le rayon de coupure. La figure A.III.2 montre la variation de l'énergie de
faute basale et prismatique selon le rayon de coupure pour le Magnésium. Les
calculs présentés dans le texte sont effectués en prenant ce rayon de coupure
égal à 3,5 a cù a est la distance entre premiers voisins dans le plan de base.
Nous avons vérifié que les valeurs asymptotiques des énergies de faute et du
rapport R ne-différent pas de plus de 30 % des valeurs obtenues pour r = 3,5 a.
ri 12 . 6 Le potentiel de Lennard-Jones : V(r) = E Q [(£) - (7) 1 présente la
particularité de stabiliser la phase hexagonale compacte ou la phase cubique
à faces centrées suivant le rayon de coupure.
Nous reportons figuré A;III.3 les résultats obtenus par Hinonishi
et al. (1981), concernant l'énergie potentielle par atome dans les différentes
structures suivant le rayon de coupure. La structure H.C. se trouve stabilisée
pour des rayons de coupure situés au moins au delà de la distance entre
cinquièmes voisins.
Position des voisins
Rayon de coupure (r/c)
Figure A.Il 1.3 : Energie potentielle
par atome pour les différentes
structures cristallines, H.C. ( o ) ,
C.F.C. ( D ) et C.C. ( A ) en fonction
du rayon de coupure du potentiel de
Lennard-Jones : V(r) . E O [(£)'2 - <£> 6].
r<t>!/cm'l
Figure A.111.2 ! Variation de l'énergie
de faute basale r B et prismatique f p
selon de rayon de coupure r pour le
Magnésium.
-132-
ANNEXE IV
DÉTERMINATION DES PARAMÈTRES (A .P .O
INTERVENANT DANS LE MODÈLE DE LIAISONS FORTES
Ces paramètres sont déduits des valeurs expérimentales (Gschneider,
1964) du paramètre de réseau R (par l'intermédiaire de l'équation d'équil ibre),
du module de compressibilité K et du module élastique C... On obtient le
système (S) suivant (Ducastelle, 1970) :
.r cohésion rf D
( - 4 | | = qEd + pER = 0 (AIV.l)
(S) , 9K = (qRQ)Z Ed + (pRJ 2 ER (AIV.Z)
^ C44 - \ l f 1 - ^ ( P R
0 ) 2 " E R ( A I V - 3 '
La valeur expérimentale de l'énergie de cohésion est reproduite avec un écart d'environ 20» pour les métaux de début et de f in de série * (Tableau I ) , cela est dû au terme d'hybridation E négligé dans ce calcul. Notons, de plus, que le terme de corrélation électronique a été également négligé.
TABLEAU I : Energie de cohésion par atome (en 10 Ryd/at)
Y Tl Zr Hf Te Re Ru Os Co
- 31 - 36 - 47 - 47 - 49 - 60 - 49 - 60 - 32 Valeur expérimentale
- 25 - 25 - 35 - 42 - 46 - 58 - 44 - 48 - 23 Valeur calculée
-133-
Les paramètres obtenus pour E déterminé dans l'approximation du
moment d'ordre deux de la densité d'états sont rassemblés tableau XIV dans le
texte (page 85).
Pour suivre l'évolution des énergies de faute le long d'une série
de transition, nous avons pris également un paramètre moyen, qR. = 2,9, et H
calculé A et p par les équations (AIV.l) et (AIV.3). E est alors déterminé
à l'aide d'une densité d'états reconstruite par la méthode de recursion et
nous avons vérifié que sa valeur est indépendante de celle de q pour qR
compris entre 2,9 et 4. Les valeurs obtenues pour A et p, et l'écart avec la
valeur expérimentale de K sont donnés tableau XVII du texte (page 89).
-134-
ANNEXE V
EQUIVALENCE DE LA MÉTHODE DES MOMENTS ET DE LA MÉTHODE DE RECURSION POUR LE CALCUL
DES DENSITÉS D'ÉTATS LOCALES
Rappelons que la densité d'états locale est donnée par :
n (E) = - f lin, In (S G " (E + 1E))
ou G(ç) = ^4- f f
est la résolvante du système, d'éléments de matrice
(AV.l)
eïf(c) - <ix|G(c)|d n>
1°) La méthode de recursion, rappelée dans le texte, consiste à construire
une nouvelle base dans laquelle l'hamiltonien est tridiagonal.
Appelons |0} = |ix> le premier vecteur de la base de recursion. Dans
cette base, on peut écrire
C - H
et donc :
{o i-^-i o) = <n |G(?)| n> = -nri n
(AV.2)
-135-
4„ " IC - «I (AV.3)
et :
V l
r-a, b. o - — —o i
b, i-a, b, o • \ \ \ \ I
o \ \ \ v I
I \ \ N b„., o |° \ \ \ O o b <-a n b
(AV.4)
" n - 1
a l ' b l V z V i
S - a,
ï - a? h V_3 \ - 2
(AV.5)
On obtient ainsi le développement en fraction continue de <iX L _ J iX> à partir des coefficients issus de la recursion.
S") La méthode des moments oonsiete â calculer la densité d'états locale par
l'intermédiaire de ses moments.
Le moment d'ordre p de n.(E) étant défini par :
jij = /*°EPn.(É) dE v -at
i l es t faci le de voir que ul es t donné par l'équation :
u l = \ l <i* |HP| ix>
(AV.6)
(AV.7)
-136-
Le calcul des moments se ramène alors à un problème d'énumération des chemins fermés que l'on peut tracer sur le réseau (Cyrot-Lackmann, 1968). En e f fe t , en développant Hp dans la base des orbitales atomiques, on obtient
y"1 = ï. <U 1H| ju> <jy jH...> ..<k\> |H| iX> (AV.8) p j , . . . k
A,u..v p termes
A chaque pas, on associe une matrice 5 x 5 et la contribution d'un
chemin dépend de sa forme.
Si on est capable de calculer tous les moments \il, on peut définir
une fonction caractéristique :
FV) - S ( " J X ) P VÎ (AV.9) p=o v' v
F n '(x).
La densité d'états locale est alors la transformée de Fourier de
n i < E > = 7 ? / e 1 X E p i ( x ^ d x t A V - 1 0 '
Cependant, dans le cas que nous étudions, il n'est possible de
calculer qu'un nombre fini de moments. Le problème de la reconstruction de la
densité d'états à partir de ceux-ci se pose alors.
En ce cas la méthode la plus utilisée est celle du développement en
fraction continue (Gaspard, 1975; Gaspard et Cyrot-Lackmann, 1973).
La transformée de Hilbert de la densité d'états :
1 *»n.(E)
HO 'I F^T d E < A V- U) -CD '
peut itre décomposée en puissance de 1/ç avec les moments comme coefficients
f 1 U ) = ï - ^ n - (AV.12) p=o v
On peut alors écrire cette série sous la forme d'un développement
en fraction continue infinie :
-137-
f 1 ( ç ) - — ? (AV.13) ç - a i - h
2 ç - a 2 - b 2
En ident i f iant (AV.12) et (AV.13), on obtient :
a n = a n ( ^o ^ n - l ' 2 2 (AV.14)
b n = b n < ^ o "2n>
Les formules explicites font intervenir des déterminants construits
à partir des moments (Gaspard, 1975). Le développement en série d'une fonction
analytique étant unique, les coefficients a et b ainsi obtenus sont les
mêmes que ceux issus de la recursion.
La densité d'états locale est alors donnée par :
ni( E) = — T i m Im (f1 (ç + ie)), 1 5ir r-w, E-t-0
et on obtient la même expression que celle issue de la méthode de recursion.
-138-
ANNEXE VI
PROCÉDÉ DE RELAXATION DYNAMIQUE
COUPLÉ A L'EMPLOI D'UN MODÈLE DE LIAISONS FORTES
Le procëdéde relaxation employé consiste à suivre, au cours du
temps, l 'évolution d-un ensemble d'atomes de masse m, soumis à leurs
interactions mutuelles.
L'intégration des équations du mouvement conduit à l'algorithme
de Ver!et (1967) :
D'où
^ . ( t + At) = r.j(t) + v ^ t ) At + | ï i { t ) A t 2 + 0(At 3)
r ^ t - A t ) = r . ( t ) - v . ( t ) At + i ï i ( t ) A t 2 - 0(At 3)
r.(t + At) = 2r.(t) -r.(t-At) + iii At 2 + 0(ût 4) 1 i ' m
r.(t + At) - r.(t-At) , v.(t) = -! 1 + 0'(AtJ)
1 2At
(AVI.l)
(AVI.2)
La connaissance des positions à l'instant t-At et t, ainsi que des forces à l'instant t, conduit â l'obtention des positions à t + At.
La valeur de At doit être choisie avec soin, mais reste toujours de l'ordre de 10" 1 4s (Hansen et al., 1976).
La recherche de la structure d'énergie potentielle minimale (à OK) s'effectue en utilisant une procédure de "trempe". Celle-ci consiste à annuler la vitesse des atomes, lorsque le produit F.V est négatif. On retire ainsi progressivement l'énergie cinétique du système pour obtenir une configuration d'énergie minimum â OK.
La difficulté majeure de cet algorithme provient du calcul de la force sur chaque atome et à chaque pas d'itération sur le temps, dans le cadre du modèle de liaisons fortes.
-139-
La nécessité de reconstruire les densités d'états locales à l'aide
des trois premiers couples de coefficients de recursion (pour obtenir une
énergie de faute basale correcte) ne permet pas le calcul d'une expression
analytique de la force sur chaque atome.
Nous avons donc estimé cette force de manière numérique, en calculant
les variations d'énergie totale induites par des petits déplacements E „ , E , E -6 x y z
(=10 R ) de chaque atome.
Deux approximations ont été essentiellement utilisées pour réduire
un temps de calcul, qui se révélait a priori prohibitif.
1°) Pour éviter la reconstruction des densités d'états locales, puis
l'intégration pour obtenir l'énergie, nous avons utilisé une méthode de linéa
risation de la fonction de Green développée par Ducastelle et Turchi (Turchi,
1984).
Nous ne ferons qu'évoquer les principaux points de cette méthode.
Considérons la variation de la densité d'états locale sur un site i engendré
par un petit déplacement E . Avant déplacement,
n(e) = - i lim Im (G„(e+in.) ) (AVI.3) 17 n-*>
où l'indice 1 est associé au premier site de la chaine de recursion (on fait
abstraction de l'indice d'orbitales pour simplifier les notations).
Après déplacement,
l * •n*( E) = -- lim Im (G . (e+iti) ) (AVI.4)
ff rv+n A A
Im ( n-*o
oû G*(z) est définie sur la même base de recursion |n} par des coefficients
On obtient alors
6n(E) = -- lim Im [G* (c+in) - G* (e+in)] TT n^(, 11 11
(AVI.5) = - - lim Im («G-nte+in) )
TT n+o 1 1
-140-
Associons aux variations Sa., = a? - a- et 5b. = b? - b. un potentiel SV
défini dans la base de recursion par
{n|SV|n} = Sa (AVI.6)
{n|6V|n+l} = 6b n
L'équation de Dyson permet de relier G à G de la manière suivante
G* = G + G6 VG + GSVGS VG + . . . (AVI.7)
si 6V peut être traité en perturbation, un développement de G au premier
ordre donne :
SG = GS VG
ou encore S G n = {1|G 6VG |1} (AVI.8)
Du fe.it de (AVI.6), on peut écrire
6 G 1 1 " l < 4 6 a n + H Gln Gln +1 6 b n < A V I- 9>
On obtient alors, pour les différences d'énergie, l'expression suivante :
6E(E) = t i3n(E) 6a n + 2E* n(E) Sb n (AVI.10)
avec 0 (E) = - - lim Im /dt(t-e) G? (t+in) (AVI.11) ïï n->o
* n ( E ) = - f lim Im/dt(t-E) G l n(t+in) G l n + 1 ( t + i n ) (AVI.12)
Les G. (z) se calculent par la relation : J ln
G l n (2) = bj b 2 . . . b n - 1 G ^ z ) G ^ z ) . . . G^tz) (AVI. 13)
avec eL n(z) l- =- (AVI. 14) z - a - bf
-141-
Pratiquement, les fonctions (0n>"l'n) sont calculées une fois pour toute au début du calcul pour le cr is ta l parfait. Ceci conduit donc à remplacer la reconstruction de la densité d'états locale et l ' intégration de l'énergie pour chaque pet i t déplacement e, par une simple multiplication !
2°) La deuxième approximation a été uti l isée pour résoudre le problème suivant. L'interaction atomique ne se mettant pas sous forme d'interaction de paires, i l faudrait en toute rigueur calculer pour chaque petit déplacement de chaque atome et à chaque pas les variations d'énergie sur le site déplacé, mais aussi sur tous les atomes de l'amas nécessaire à l'obtention des trois couples de coefficients de recursion. Ceci conduirait à des temps de calcul d'environ 25 heures sur un ordinateur tel que le NAS 9080.
Cette d i f f icu l té vient du f a i t qu ' i l n'existe pas un facteur constant
entre la variation d'énergie sur un site i et la variation de l'énergie totale,
comme c'est le cas pour un potentiel de paires, où on a la relation :
fiEi = i s E to ta le 2
Nous pensons cependant que les écarts à cette relation sont principalement
donnés par des arguments de second moment sur le site i et sur les sites
premiers voisins. Ainsi, nous avons appliqué l'approximation suivante : 3
SE t 0 t =(?! 6aj + 2 6b1 ) + £ ( 1 ^ Sa* + 2 fibj) + 2 £ (0p SaJ + Z^-fibJ)
atomes k lers voisins de i
Le cas le plus critique pour cette approximation est certainement
celui des surfaces. Toutefois, la relaxation satisfaisante observée même sur
celles-ci est une vérification a posteriori de cette approximation. En effet ,
si le calcul de la force était trop imprécis, le système n'arr iverait pas à
diminuer son énergie potentielle.
Nous donnons une l is te du programme de simulation du coeur des dislocations vis 4 <1120> dans le t i tane qui contient les séquences suivantes :
- in i t ia l isat ion des variables,
- construction du cristal et numérotation intrinsèque des atomes,
- introduction des déplacements dus à la relaxation Ju cristal
parfait effectuée auparavant,
-142-
- introduction du champ de déplacement élastique de la dislocation,
- règle de périodicité sur les positions et les déplacements des atomes le long de la ligne de dislocation,
- recherche des voisins de chaque atome,
- calcul de la force sur chaque atome,
- obtention des nouvelles positions à l ' instant t + ût et calcul de la température,
- poursuite ou arrêt de la relaxation.
Les sous-programmes AMAT et BHAT permettent respectivement le calcul des matrices de couplage (5x5) pour l'ensemble du cr istal à l ' instant t , et pour l'atome déplacé en vue du calcul de la force agissant sur cet atome.
Le sous-programme C0M0CO réunit les cinq jeux de coefficients issus
de la recursion (1 par orbitale) en un seul jeu donnant la densité d'états
locale.
-143-
C C U C U L SE L» C S N F I G U » » T I 0 N ?U C5EU» D'UNE DISLOCATION VIS O120> ILLICIT P.E>.i.«6(»-M,0-Z> IM»LlIIT iNTEGE» ( I - S ) CC<ir3N/»1/ X ( - 3 0 0 : 1 5 0 0 ) ,Y ( -500:1 500) , Z C - 3 0 0 : 1 5 0 0 ) ,
1 u ( - 3 Î O : 1 5 0 C ) , V ( - 3 0 0 : 1 5 0 0 ) , « 1 - 3 0 0 : 1 5 0 0 ) C0»P3N>»2/1 V O I S ( - 3 0 0 : 1 5 0 0 , 1 4 ) , N v ( - 1 0 0 : 1 5 0 0 ) C 0 " " 0 N / » 3 / I D ( - 3 0 0 : 1 5 0 5 ) CCSON/FO/Fx ( 5 0 0 : 7 0 0 ) , F Y ( 5 0 0 : 7 0 0 ) , FZ(500:700> 01"ENS I ON O X ( 5 0 0 : 7 0 a > , D ï ( 5 0 : : 7 0 0 > , D Z ( 5 0 0 : 7 0 0 ) TK=»Ex=(-5.D0) C=1.i33D0 PI = 3 . U 1 5 9 2 & 5 3 6 5 0 XC=(35.D0/6.D0>«DSa!(T(3.D0> Z0=8.0C'C/2.D0 NP»S=0 60 15 I = - 3 0 0 , 1 5 0 0 X U ) = 0 .03 Y C ) = 0 . D 3 Z O - C . D O
urn-;.» V(I)=C'.0C K I > = 0.D0 k t i ! ) = ;
10 CONTINUE 05 11 1=500,700 CXC)=0.CC DT(I)=C.30 DZU)=0.D0 FX(I)=3.S0 •r(l)«;.co FIIII'S.IO
11 CONTINUE c C CONSTRUCTION OU ta!ST»L c
00 60 J-5,6 K=I:>J FJ = :CI.0AT(J) DO 60 1=3,7 FI = 0 ' L : A M I ) CO «0 K=i,13 F<=0 cL0»T(O JK2=(J»lC)/2 J2=J>2 KJ=«/2 IF(((2*JK2).NE.(J*K)).tN0.((2>K2).NE,K)) If (((2'J<2).NE.(J»K)).»N0.((2"J2).«IE.J)) IMCOil.NE.j) SO TO tO B=-1.D0 CO T3 50
20 FJ = !.D0 CO TO 50
30 5=2.DO GO TO 50
*c e=c.oo 5C CONTINUE
GC TO 20 SO TO 30
-144-
X(N) = (FI-l.D0)OS3«T(î.t>0)«B"DS3»T(Î.D0>/6.t>0 T(N)=(FJ-1.D0)/2.D0 ZCN)sC«<2.00»FK-1.D0)/«.D0 NBAXSN N«N»1
6C CONTINUE K!1AX2=NKAX»JDO c
C POSITIONS BELAXEES t
DO 61 N=EOO,N«AX IFCZIN).EO.O.OO) CO TO 62 BEAD102.5) II#U(N),VCN>,WCN>
62 CONTINUE 61 CONTINUE
C C CHApP DE DEPLACEMENT ELASTI3UE DE L» DISLOCATION C
DO 99 S=505/N1«X IF(ZCN> .ES.3. DC) GO TO 60 Xx=jUN)»U(N)-XO 22 = ZtM"»(N)-IO IF(C2.L'r.0.D0).»ND.CXX.5T.D.D0)) V(N) = CD»T»!((XX/22)*PI)/
1(2.3:»PI)*W(N) IF!C2.LT.O.DO).AND.CIX.LT.O.DC)1 V(N)=CO»T»N(XX/I2)-PIl/
1 (2.5>PIλVCN) 1FCZZ.3T.G.DD) VIM = D»T»N(XX/22)/(2.DO«PI)*VtN)
8C CONTINUE 9C CONTINUE
C C PEBIOOICITE DES POSITIONS ET DES DEPLACEMENTS DES ATOPES C VOISINAGE DES ATOPES C
91 CALL PSMSSCHMAXJ DO 110 I=5C3,\»ix IF(ZCI).E:.0.D9) GO TO 100 CALL V0ISINU,N'(Ax2>
IOC CONTINUE 11C CONTINUE
CALL P E B I O V C N i A X ) C C CALCUL DES FORCES C
N P A S = N » A S * 1 « » I T i ( 4 # 1 5 > N » A 5 CALL F 5 » C E ( N " A X , E C 0 E U 1 - E C 0 E U 2 )
C C CHA«"> DE OEPLACE'ENT RELAXE ET CALCUL DE LA TE«PESATUBE C
T2»=.15DD CFJ0L = 6.34D-06 N = 0 ECINET«C.DC 00 110 1=S00.N«"AX I K Z C D . E Q . O . O O ) GO TO 120 N«N*1 VX=D«(I> VT=DT(!) VZ=DZ(I) IF((3X(I)»FX(I)).LT.0.D0) OX(I)»O.DC IF((ay(I)«FY(I)).LT.0.6C) »T(I)»O.BC IF<(02(I)«FZ(I>).LT.0.DC> 0! (D=0.DO DXII)=T2»»FX(I>»DX(I> DT(I)=T?P«FT(I)»DTtl) D2lI>"Ti«»F2(I)-D2(I) VX*(VX*DXU)>/2.DG
-145-
VY=(VY*t>Y(I>)/2.D0 V Z = ( V Z * 5 Z t I > W 2 . D C U(1)=U(1)»DXU> V ( I ) » V ( I ) * D Y ( I > k U > = « ( I > * D Z ( I ) ECINET=ECINET»(VX*VX»VY.VY'»VZ'VZ)/T2" IF(N=AS.SQ.25) d » I T £ ( 6 - ; ) I , U ( I ) / V ( I ) » W ( I > kR!TE(C1r5> I , U ( 1 ) , V ( I ) » U ( I )
12C CONTINUE 13 : CONTINUE
T E 1 P = E C I N E T / ( 3 . D O » N ' C 3 : L )
ITERATION OU ASSET OS LA RELAXATION
ECOEJ1=ECOEu1«l3.600 EC;EJ2=ECOEU2«13.65C k»IT-C6.«> TE1P/ECOEU1/ECCEU2 IF(N=AS.NE.25> 50 TO 91
5 FGSI<«T(2X,13,3015.8) 15 F0°l'«T(2X/1Ci»NC,lE'SE DE P»S : .12)
STOP E M
SUÎOjTINE V0ISIS(IV/N"AX2V) IMPLICIT BEAL«;tA-M/0-2) ILLICIT INTESE5 (I-N) CC".«0N/A1/ XV (-300:15SC),YV(-30C:15C0)»ZV (-300:1 SCO),
1UV(-30?: 1 500). VV(-330:1500),«V(-30C: 1500) CC*M0N/A2/IVO:S<(-3OB:150:/U).NVW (-300:1500) J = 1 00 23 «=1CC,NM«X2V IF(2vC).EC.O.D0> SO TO 10 IFlfl.E5.IV) GO TC 10 22=CKI')+JV(")-:V(IV)-NV(:V))*(ZV(I')*WV(")-2V(IV)-1(V(IV)) I F C Z . Ô T . 1 . 5 D C ) SO TO 10 xx=(xve!)*uveo-xv(iv)-uV(iv>>«[xv(io«uv(n>-xv(lv>-uv(iV)) IF(XX.ST.1.550) <iZ TC 10 YT = (YV(P)*VV(H)-YV(IV)-VV(IV))«(YV(P.)«VV(1)-YV(IV)-VV(IV)) IF.(YY.GT.1.5D0) GO TO 10 OIST3=XX«YY«Z2 If(DIST2.GT.1.55Î) 5C TO 10 IV0ISV(IV>J>-1 J=J»1
1C CONTINUE 2C CONTINUE
NVV(IV)=J-1 «ETU3I, EN5
SU3S0UTINS PEMSOtNt»»»» IHPLICIT REAL«S(»-H,0-2> IMPLICIT INTEGER (I-N) COMMON/»1/ XP(-300:150C),Y°(-305:15COÎ/2»(-300:1500)/
1UP(-300:1500>,VP(-300:1500)«UP(-300:1500) COtfON/A3/IRP(-3CO:1500) 00 10 J=1»t FjeOFLOATU) 00 10 N=500»N»AXP »P(N-£::«J)=XP(N) UPtN-23C«J)=UP(N> YP(N-J03«J)'YP(S>-FJ VP(N-2C0»J)=VP(N) 2P(N-23C«J)«:'(«r) bP(N-200«J'=W»(N) XP(N*200'J)=X?(N) UP(N»2CC«J>»UP(N)
-146-
Y P ( H « 2 0 C " J > = Y P ( N ) « F J VP(N»2D0«J>«VP( I» ) Z P ( W O O * J ) * Z P ( N )
yPCH»2B0«J>=MP(N> I » P ( N ) = N I B P ( N - J 0 0 > J > « - « J R P C ( » 2 0 0 « J ) = I 9 P ( M
1C CO\TIHUE BETuSN END
5U?»3JT1NE P E R l : v ( K » i l P ) i n ' L U I T « ! » L « S ( » - H , o - Z I I M P L I C I T INTEGE9 C I - N )
t 0 » P 3 K / » ! / I V C : S P ( - 3 3 : : 1 5 C O / H ) , ' i V P ( - 3 0 O : 1 5 C 0 ) CO 13 J = 1 , 4 C3 13 S = 5 0 0 » ' ( , U X " ' K W » ( V - J 0 0 - J ) = N V P ( N ) NWPC.»JCO«J) = ' < V P ( N ) CO 13 L = 1 / N V P ( M ) I V O I 5 P ( N - 2 0 a - J , L ) = 3 V C : 5 P ( N » L ) - 2 2 C > J I h : i S P C > b * 2 - : 3 > J > L > « I v C J S P C S r L > ' ' s 3 f « J
10 C C T L I U E PETU3N EN3
SUS POUTINE FORCE(K«»XC/ECOEU1,ECOEl2) I H P L I C Z T P E A L « ! C » - H , C - Z ) I M P L I C I T INTE3ER ( ! - * > IMTE3E» C A h ( - 5 3 ; : 1 7 C 0 ) , C O U ( 5 ) C I"ENS!0« i I t » N ( 4 0 C ) . = r t : ( 3 ) / ° S I ( 3 ) SI " E N S ! 3 * A G ( 5 / " . > , A 5 X ( 5 / 4 > , » C T ( 5 » i ) , « S Z ( 5 / « ) O I ' E I S i a N S G ( S < 4 ) , s ; X ( 5 » ' ) . 5 G Y ( S # 4 > , 3 G Z ( 5 . 4 ) C I ' ê N S I D U T » t 9 0 ; ) , T » x ( 9 C 0 ) , T » Y t 9 a C ) » ^ » 7 t » 0 C ) S I « E M 5 : C M T B C 9 0 : > » T a x ( « C C ) / T B Y { ? ; c > » T 3 Z C O 3 C ) c : * E V S I 3 S T C t 9 3 5 > » T C « C » S : ) » T C » t 9 3 0 ) » T C Z ( » 0 C > C I"EN 5 ION A G P ( 4 ) , A G 3 C 4 > , » 3 0 X ( 4 ) , » G 0 r U ) , l S C Z ( 4 > DIMENSION 9 G » ( 4 ) , 5 G : ( 4 > , S G C X ( 4 > , 5 G C J < 4 ) , 5 G C Z ( 4 > C 0 * P 3 N / A l / XC ( - 3 0 0 : I S O O / Y C ( - 3 - 3 : : 1 5 0 0 ) . ZC ( - 3 0 0 : 1 5 0 0 ) ,
1 U'C ( - 3 3 3 : 1 5 B 0 ) / V t ( - 3 3 0 : 1 5 3 0 ) /KC ( - 3 0 0 : 1 5 0 0 ) C G " » 3 K / » 2 / ! V 0 : S ; ( - 3 3 : : 1 5 3 3 , 1 4 ) , S V C ( - 3 3 0 : 1 5 C 0 ) C ! • • 3 \ / A 3 / : « ( - 3 3 0 : 1 5 0 0 ) ( C » : > i / « 4 / S C O S ( 5 0 0 : 7 3 C ) C O - ^ K / â l / ' . < 5 , 5 . - l L ' 0 , 1 4 > , U O » e T ( 5 0 3 : 7 0 3 > C : « « 3 N / 3 2 / C S ( j , 5 / 1 4 , 3 ) C 0 » » : r , / a ! / D I F E P / 3 I ' E » X » S ] F E » Y , 0 I t £ P Z C 0 ' » 3 S / F 0 / F X F ( 5 0 0 : ' 0 0 ) / F Y F ( 5 3 C : ? : 0 ) . F Z F ( 5 0 0 : 7 0 0 ) P 5 I ( 1 ) = - 1 6 . 4 « 5 2 D - 0 2 P S 1 ( ; > = - J . 1 C 3 - 3 3 « 2 . D 0 P S I ( 3 ) = 1 . 2 0 3 J 0 - 0 2 « 2 . D O O H I ( 1 ) » 9 . 1 1 2 3 D - 3 2 « 2 . 3 0 P H I ( 2 ) » - 3 . O 4 5 0 D - C 2 « 2 . [ > 0 P H I ( 3 ) « 1 . 1 2 E 3 3 - C 2 ^ 2 . 0 0 » G P ( 1 ) = C . D 0 » G P ( ? ) « - . 7 1 5 7 4 7 5 9 » G ° ( 3 > » - 1 . 7 5 4 0 6 3 0 » G P ( i ) » - 1 . 6 9 9 4 B 3 C S G P ( 1 ) ' 0 . D C 5 G P ( 2 ) = 3 . 7 9 4 ' 1 , ' 3 0 B G » ( 3 ) = 3 . 4 0 9 6 2 9 o C 5 G ° ( 4 ) = 3 . 7 0 0 4 3 5 3 0 D 0 O I = . 3 2 ! 3 0 E C O E U I P O . D O
E C I . E J 2 P C . 9 C
«H=3 »«1c»B»1
-147-
N0«3 = 5 IGLG==1 P»5=1D-D6 50 T 1 = 5 0 0 . 7 Î 0 FXFU>=0.D0 FTF(I>=C.D0 FZF(1)=C.D0 CONTINUE CULL »«tT(NM»»C> DO 2»0 <iO=50S/N"»XC IF( I : (NC).EQ.O.PC> GO TO 25 C»LL B1»T(N0,(iri»C)
NU"£»0T»TI3N C«S ET IC«N. - T«BLE«U COU »OUR L'«TO"E NO
DO ID ICCU=1.1"1 i c cout:c:u)=e
0 0 2D I = - 5 C D < 1 7 3 0 2 : c » s c i J = C
DO 3D 1=1,100 30 IC»N(I>=3
I»= = l 1*3 = 1 IC*N(1)=N0 C0Ut1>=1 C»NCN3>=1 NN = 1 CO cD IT = a,"l»1 co 5D : N = I » P , : 4 : K=IC»N(IN) CO SD l=1,NVCC\) «=IK0:SC(N/L! IFCC»NtH).NE.D> GO TO (.3 K^=SS*1 C«Nt«)=NN IC»N(NN)=M
<-Z CONTINUE 5: CONTINUE
C:U(IT)=NN :j»=»m :»Î=NN
o: CCNTINJE N» = NN NG=5«N»
C»LCJL DES COEFFICIENTS
DO 213 JCR9=1.5 00 73 1=1,900 1»(1)=0.D0 T»I( I)=O.DO T»T(I>=O.DD T«J(I)=0.DO TCt I )= : .D3 T C X I I ' S . D O TCT(!)=3,D0 TC2(I)=0.D0
7C CONTINUE »E»D 5 ! C , 1 5 , I ;
sac F O 5 H K 2 I I ) T»t I5 )=1 .C0 T»KI5)«1 .DC
-148-
TAY(I5)=1.50 T«Z(I5)=1.D0 SG(I5,1>=8.90 BGX(I5,1>»0.D0 BGY<I5,1>»D.D0 3GZC5,1)=0.D0 NHrCOUd) NF=C0U<1) KN=C0U(2) DO 269 IJ = 1,«IM1 NN5=5«NH KN5=5»<N
C HECHSION «OBTENTION DE «G ET Sô
DO H d I=1»KN II=i:»N(I) IS:=IB(IÎ) U=I:O"PTCB:) NE=NVC(IBC) DO U O 12 = 1/5 s=:.2o SX=C.D: S»=C.D: S2=O.D: DO 110 J = 1.-NE
s=:v):5cc:irj> IF(c«N(N>.EO.O) GO TO 120 IRN=II-CN-Ia{N}) 1FC»C.EQ.N31 JEQ = J If(IRC.EO.NO) GO TO «3 J E S O IF(N.ES.NO) C»LL JES'JI(NO/I!,JEi) IFUIStNJ.Ea.NDJ.ANs.^.NE.f,?)) C
I J E 3 U I « N Û » I » N > J E S > 3C KA=5«(CAN(N>-1)
50 113 ,12=1,5 E = S«:(I2.j2/IA»J).T«(i(â»j2) If(J50.NE.C) gS TO 90 5«=S«»C<I2,J2/I»/J)»TAX(<«»J2) ST«S»»C(I2»J2/I»»J)«*«T(<»'»j!) S2=S2»C(I2,J2,IA,j)«TAZ(<»«j2) S3 '5 ICO
9C £«s3X«CS(I2.J2/JE6.1)- T**(««»J?) £T = 5T»CSC2,j2/jEλ2)«T»»(Kt»j2) S2=S!tc^(22,J2»JEO,3).TA:(<A»j2)
100 CONTINUE 11C CONTINUE 12C CONTINUE 1JC CONTINUE
NFF=5«(S-1)«!2 E C 0 » U » C > O . D 3 TS(N«r)«S«CCOI>(lBC)»TA(NFf> TB»<NFf>»S«»EC3»(I»Cl»*«»(NFF> TBY(Nff)«5T'EC0ll(I»C)«T»Y(NFf) T92(NFF)«S2»EC0S(2»C)'TA2(NFt)
U C CONTINJE IF(KN.SL.NX) 30 "0 160 «E»KN5»1 DO 150 I=KE#Ng TB(I>»0.»0 TBX(I)=C.DO TbY(I)=D.SO T32(I>=C.S0
-149-
1 5 0 C O N T U U ï 1oC 5 2 = 0 . 0 0
S 2 X O . 0 C S 2 T O . D 0 S 2 Z = 3 . D 0 S1=C.DC SU=O.:>G S1Y=0.DG sizo.oo S = 5 . 3 C Sx=Q.D3 S » » a . D 3 szss.s:
DO 170 I = 1 » N F 5 S = S » T a ( I ) « T A ( I ) S X « S « « - 3 X ( 1 > * T » X < I > ; Y = 5 T » T 5 T ( I ) - T A T ( : )
S 2 = s ; - T 3 z m » T A : ( i > 17C CONTINUE
DO 130 I = 1 » N F 5 5 1 = 5 1 * T A t : ) « T A ( I ) S 1 X » S 1 « « T » X C T . ) . T i X ( I > S1Y = 3 1 Y - t T A Y < : ) - T » Y < l ) s i i = 5 i : » T A 2 t : i « T » : m
i e c C : N T I N U E
A G ( Î 5 / : J ) = S / S I
» G X ( I 5 » I J ) = 5 X / S 1 X
» G Ï ( I 5 » I J ) = S r / S 1 Y A G Z I I 5 . I J ) = SZ.'S1Z 1 F C I J . E S . 1 ) 30 T : 2 1 0 DC 1»3 I = 1 / N H 5 S 2 = S 2 » T C < : J * T C C I ) S 2 x = 5 2 x » T C X ( l ) . T C X < ! > S 2 Y = 3 2 Y . T C Y C I ) « T C Y ( I >
S2Z = 3 2 Z » T C : C ) * T C Z t I ) 15C CONTINUE
B G ( I J < I J ) * S 1 / 5 2 6 G X ( ! 5 7 Z J ) « S 1 X / 3 2 X f i Y i : « , I J > = S 1 Y / 5 2 Y 6 G Z C I 5 . I J ) = S 1 Z / S 2 Z
2 û : CONTINUE CD 21û I=1»KN5 50U=TC(1> 8 0 u x » T C x C ) S 0 u r » T ! Y C 5 BOUZ'TCZ « I J 9 A J = T A ( 1 ) 9AUX=TAX( I> EAUY=T»Y( !> E A U Z = T ' I ( I ) T t ( I ) = 3 A U T C « ( I ) = 9 « J X T C Y t t ) = e A U Y U Z U ) = B»Ul T A ( I ) » T B t I ) - » G ( 1 5 » I J ) » B A U - 9 G ( I 5 , : j ^ B S U T A X ( I ) = T 9 X t I ) - A G X ( I 5 < J J ) « 9 A u X - S G I l I 5 » I J ) ' * B C u X T A V ( I ) = T S Y ( Z ) - A S Y t I 5 . I J ) « 3 « U V - 9 G » ( I 5 » I J ) « B C U T T A Z ( I ) = T S Z ( l ) - » G : t I 5 - 2 J ) - a » u Z - B i Z t I 5 / l J ) » B O U Z
21C CONTINUE I K « V . E O . N » ! GO TO 2 3 0 DO 220 l ' K E / N G B A U = T A ( I ) BAuX=TAXt l> E A U Y * T » T I I > 6 A J Z = T I : H )
-150-
TC(I)=3AU TCK(I)=2«U< TC»(I)»3»UT TCZ(I)«3AUZ T«(I)x0.oo T»XCI)=O.D0 T A T U ) = 0.OC TAZ(I)=0.B0
220 CONTINUE «N=C3u(IJ*2>
23C IF(NF.SS.NX) 00 TO 240
f.F«C3u(2J»1> 210 IFCNM.ES.NX) 30 TO 250
IFIIJ.E0.1) GO TO 253 NN=C0UCIJ)
25C CONTINUE 26C CONTINUE
CALL CCKOCOCAG.aCAGO.SGO) C A L L c o « o c c ( A i « , e G X / « G C x < a o : * ) CALL C0"OCO(A5T,«GT,AGar,S5aT)
CALL C3l<0C0CA,iZ,°&Z,AGC2.3G:Z>
CALCUL HE LA VARIATION ÙE L'ENERGIE ATTRACTIVE EN NO
tiiFE5= BIFE3X BIFE3T H * E 3 Z DO 270 DIFE3= IFtI IFCI.N DJF53X BI'EOX B1FE3Y M ' E S T BIFE3Z BIFE3Z CONTIN BIFE3» BIFE3X 0IFE5T
DI'ESZ IF(NVC EC:EUI
0 0 Ml
3»">HI BIFE 5IFE
S3X + P 51>x»2 EBY*P E3»»2 EBZ»» EBZ*2
( I ) * C A f i O ( t » 1 ) - A G P ( I » 1 > ) / 2 . D C 3 = D I F £ 3 * £ . 3 O » S I < ! > * O ô 0 ( I » l ) - B G P < I * 1 ) > 3 = B I F E B » P S I t I ) « [ 9 G 0 t I » 1 > - 2 5 P ( I » l > ) H I ( I ) « ( A G 0 x < I * 1 ) - A G C ( I * 1 > )
O O » P S ; ( I ) - O G O X ( I » I ) - S G : C I * 1 ) I K I ) * ( A G C Y ( I » 1 ) - » G 0 ( I » 1 ) )
S 0 ' P S I ( I ) » t = G 0 » ( ! » l ) - S 5 3 ( I « 1 ) ) H l ( I ) - ( A G 0 Z ( I * 1 ) - A G 0 ( I « 1 ) )
D C « P S K I ) « ( S G : I C I » I ) - B G 3 ( I * 1 ) )
F E B " 1 0 . B 0 » B B » I F S B X » 1 C . D 0 » B B » I F E D » » 1 : . B 0 « 0 S » X
I F E D 2 - 1 C . B 0 - B 3 P I 0 > . L T . 1 1 ) GO TO 271 C 0 E U 1 » B I F E 3 * B 1 F E «
CALCUL BE LA FORCE SUR l 'ATCNÉ NO
271 F X F ( N 0 ) = F X F ( N 3 ) - ( D I F E B X » 2 . B 0 « B I F E R X ) / P A S F r F ( N 0 ) = F Y F ( N 0 > - ( D I F E D Y « 2 . D C « B I F E R » > / P A S F Z F ( N 0 ) « F Z F ( N 0 ) - ( D I F E B Z ^ 2 . B C * B I F E « Z ) / P A S E C 0 E U 2 = E C 0 E u 2 » D l f £ 0 » B I F E » •EUINB S
28C CONTINUE 293 CONTINUE
RETURN ENB
SU9R0UTINE J E J U M N O J E . N J S . J E ) I K ' U C X T R E A L » 8 ( A - H , 0 - Z > I M P L I C I T INTEGER < I - N ) C e M N 3 N / A 2 / I V O I S J ( - 5 0 0 : 1 5 0 0 / U ) # N V J E ( - 3 0 0 : 1 5 0 0 ) NVNO-NVJE(NOJE) 00 13 K=1#NVN0 M « I V O I S J C N O J E » X > I F ( N I . E O . N J E ) SO TO 2 0
-151-
1C CONTINUE ZC JE'K
RETURN END
SUBROUTINE *X«T(NK>K>) IAPLICIT RE»L«! ( * -N /3 -Z ) IMPLICIT INTEGER CI-N) CO"l>3K/»1/ XA(-30C:15CO),YA(-3DD:15CO),ZA(-300:1500)/
1UAt-300:1500) /VA(-300:1530) /UA(-300:1 5001 CO**3N/A2/IVOISA(-30O:1500/14)/NVA(-300:15C0) C0MH:N/44/ECOR(SCO:700) CO«H , )N/91/»(5«5.100.14)»UOH'«I500:700) C3 = 0SO8T(3.Cl0) BDSC=-2.00 CDPDM.DO DDDC=0.D0 EF=-3.1660 U"U2=14.399B300 0=2.»7DG 1=1 co 3 i L=;o:»»cn»x» EcomLMa.so I F ( Z » ( L ) . E = . O . O J ) GO TC 20 UOP»A(L) = I NE = S'VA(L> DO 13 J=1/NE k=IVOISACL/J) R=(XAU)*UAU)-XACN)-UA(N>)»(XA(L)*UA(L)-XA(N1-U»CN)) R=(YA(L)»VA(l)-YA(V)-VA(N)).(rA(l)*VA(L)-»A(N)-YA(N>)«R 0=(2A(l)*«A(L>-2A(N>-tlA(N>)«(2A<Ll«bAU)-Z«(N>-tlA(N))»R P=DS1RT(R) ECDR(L)=EC08(L>»»EXP(-C«(R-1.DD>>*«2 0DS = ODSû«DEX'>(-a«(O-1.OC)) DDP=5D»:«DE»»l-e«(»-1.DC)) pDDO»90«DEX»{-a»(R-1.DG>l E=(XA(L)+uA(U-XA(N)-UA(N>Wl F=(Y«(L)»VA(L)-YA(N>-VA(N>>/R G=(ZA(L)*yA(l)-2A(N)-llA(N>)/R EE = E^E~ FF=F«F GG=G'G EEff1»SE»FF E£FF2=EE-F* A(1,1/I,j) = Î.DC"EE*F'«ÔCS«{EEFF1-4.D0«EE«F')«I)DP
1«(G0»EE«FF)«50D «(1/2/I/J)=3.3C-E« IF«G«DDS'E»G-(1.B0-4.0O«FF)«ODP
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-152-
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-154-
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Novembre 1984
DEPOT LEGAL
4ème trimestre 1984
iSSN 0429 - 3460
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I
Edité par le Service de Documentation Centre d'Etudes Nucléaires de Sxlay 91191 GIFsur-YVETTE Cedex (France)