Projet ANR-15-CE30-0016 – GiBBS : Comportement en ségrégation des Joints de Grains
Programme : Défi de tous les savoirs (DS10) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Madame Isabelle Braems-Abbaspour (Institut des Matériaux Jean Rouxel)
Partenaires : Association; Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 414322.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : La grande majorité des matériaux solides se présente sous la forme de polycristaux, à savoir une population de monocristaux coordonnés par un réseau 3D d'interfaces appelées joints de grains (jdg). Ces défauts étendus présentent une structure et une composition différentes de celles des grains adjacents, ce qui  influence non seulement les propriétés mécaniques, thermiques et de transport de ces matériaux, mais aussi leur intégrité et leur durée de vie.
Etudiés pourtant depuis maintenant un siècle, si l'on se réfère aux travaux pionniers (1912), ces jdg sont encore l'objet de nombreuses questions d'actualité sur leur comportement en fonction de leur désorientation et de leur composition. Ces interrogations partent toutes du constat qu'il n'est pas possible de se contenter de définir un jdg "moyen" pour caractériser et comprendre les propriétés d'un polycristal, puisque les jdg ont des propriétés qui dépendent de l'orientation cristallographique des grains adjacents. Il a ainsi été récemment démontré que la population des jdg d'un polycristal pur dépend fortement de l'anisotropie en énergie interfaciale.
Les matériaux réels contiennent des impuretés  - pour beaucoup non-métalliques  - qui s'accumulent (ségrègent) à certains jdg, soit sous la forme de composés de basse dimension ou de solutions solides, et renforcent mais le plus souvent affaiblissent le métal. De plus ces espèces peuvent induire des variations discontinues du profil de ségrégation et des transitions structurales selon la composition volumique. Pour tenir compte de la chimie et des spécificités structurales d'un état interfacial en un seul contexte, le terme de complexions a été introduit récemment et rendu compatible avec les règles classiques de la thermodynamique des interfaces.
Alors que la science des surfaces atteint sa pleine maturité, la science des interfaces a encore besoin de beaucoup de contributions pour mieux appréhender les interfaces à toutes les échelles. Mais si la modélisation des alliages métalliques est assez avancée, permettant en particulier de distinguer les forces motrices de la ségrégation d'impuretés, le cas de la ségrégation non-métal/métal doit encore être éclairci. Des calculs ab initio récents ont souligné l'importance des effets chimiques (transfert de charge) sur les mécanismes de fragilisation. Mais un réel fossé existe entre ces études à 0K qui présupposent la structure et la répartition chimique, et les données expérimentales disponibles sur les interfaces, limitées par la technicité des outils nécessaires pour accéder à une information à l'échelle de la monocouche, dans les conditions expérimentales.
GiBBS vise à combler ce fossé, en coordonnant expérimentateurs et modélisateurs issus de la thermodynamique et de la métallurgie (IMN, CINaM, ARMINES-SMS) qui étudieront l'adsorption de solutés non-métalliques aux joints de grains d'un métal. Ils intègreront les récents concepts de complexions et d'anisotropie d'énergie interfaciale qui permettent d'expliquer les transitions structurales de coeur, la croissance anormale de grains ou encore la fragilisation. Coupler des calculs à l'échelle atomique et des expériences sur des surfaces, des joints de grains de bicristaux et de polycristaux texturés de nickel-soufre permettra à GiBBS d'apporter une contribution originale et essentielle à la compréhension du comportement des interfaces de matériaux polycristallins en tenant compte de leur diversité, de leur anisotropie d'énergie induite par leur désorientation et de leur épaisseur spécifique dépendante de la propriété considérée. Dans cette étude à visée uniquement fondamentale, le système Ni-S est un modèle des interactions métal/non-métal; notons cependant que le Ni polycrystallin est largement étudié et employé dans l'industrie métallurgique des superalliages contenant pas moins de 20 éléments, dont le soufre, impureté fragilisante bien-connue.