GCI 116 - Matériaux de l`ingénieur 3. Architecture atomique

Partie 3
Architecture
atomique
Des Matériaux
Chapitre 3
sauf 3.2.2.3
sauf p.80 à 82 inclusivement
et p.106
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
Plan
3.1 Ensemble d’atomes : ordre et désordre
3.1.1 Liquide ou solide amorphe
3.1.2 Solide cristallin
3.2 Notions de cristallographie
3.2.1 Systèmes et réseaux cristallins
3.2.2 Repérage des directions et des plans
3.2.3 Densité de noeuds et compacité
3.3 Défauts cristallins
3.3.1 à 3.3.4
Défauts sans, à une, deux et trois dimensions
3. Architecture atomique
3.1 Ensemble d’atomes : ordre et désordre
À lire: section 3.1
Comment,dans 1 cm3 de solide, disposer 1024 atomes ?
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
* En désordre : solides amorphes
- plastiques
- céramiques
- verres
} en partie
* En ordre : solides cristallins
- métaux
- céramiques
- plastiques
}
en partie
3. Architecture atomique
3.1 Ensemble d’atomes: ordre et désordre
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
L ’architecture atomique, c’est la disposition
des atomes dans l’espace et les relations
géométriques qui en découlent.
En ce sens, les gaz représentent le
désordre complet puisque la
position d’un atome par rapport à
un autre est tout à fait arbitraire. En
mouvement continuel.
À l’opposé, les solides cristallins
démontrent un ordre parfait
puisque la position d’un atome par
rapport à un autre est bien définie.
3. Architecture atomique
Les gaz
* Les atomes ne sont pas en contact et occupent tout
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l’espace disponible (compressible)
* PV = nRT
* Les atomes sont toujours en mouvement (aucun ordre)
3. Architecture atomique
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
3.1 Ensemble d’atomes : ordre et désordre
3.1.1 Liquide ou solide amorphe
* Atomes sont en contact (incompressible)
* Ordre à courte distance
* Arrangement irrégulier
(au hasard) dans l’espace
* Conséquence

isotropie
- les propriétés des corps isotropes sont les mêmes
quelque soit la direction selon laquelle on les mesure.
3. Architecture atomique
3.1.1 Liquide
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
* Les groupe d’atomes sont toujours en mouvement
* Viscosité du liquide dépend, entre autre, de la taille et
de la forme des groupe d’atomes
* sable vs gravier passant dans un entonnoir
3. Architecture atomique
3.1 Ensemble d’atomes : ordre et désordre
3.1.2 Solide cristallin
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* Symétrie
* Ordre à longue distance
* Arrangement régulier
dans l’espace
* Conséquence

anisotropie
- ex.: la biréfringence de la calcite
(2 indices de réfraction différents, dépendant de la direction de mesure)
3. Architecture atomique
3.1 Ensemble d’atomes : ordre et désordre
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
* Exemple de la silice (SiO2)
(a) tétraèdre de base
(b) état amorphe (vitreux)
(c) état cristallin
Vidéo 3.1
3. Architecture atomique
3.1 Ensemble d’atomes : ordre et désordre
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
* Quand on refroidi un liquide, le mouvement des
atomes est suffisant pour que chacun se positionne
dans le système cristallin. En devenant cristallin, la
plupart des liquides diminue de volume (compacité
optimale) Exception : la glace
* Toutefois, si on refroidi rapidement (trempe), on
« fige » les atomes en place...
3. Architecture atomique
3.1 L’état amorphe
* Les matériaux amorphes présentent des propriétés
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différentes des matériaux cristallins.
* Ils peuvent être plus réactifs :
- structure instable (figée à des conditions de
température + élevée)
- structure plus « ouverte » laissant passer les
éléments étrangers
- Isotropie des matériaux amorphes (vidéo 3.4).
3. Architecture atomique
3.2 Notions de cristallographie
3.2.1 Systèmes et réseaux cristallins
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* Maille primitive
Vidéo 3.2
3. Architecture atomique
3.2.1 Systèmes et réseaux cristallins (suite)
nœuds supplémentaires
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7 systèmes cristallins
au centre des bases (BC)
+
au centre des faces (FC)
au centre de la maille (C)
=
14 réseaux de Bravais
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Réseaux de Bravais
3. Architecture atomique
Réseaux de Bravais : cas étudiés
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cubique à faces centrées (c.f.c.)
cubique centré (c.c.)
hexagonal compact (h.c.)
3. Architecture atomique
3.2.2 Repérage des directions et des plans
* Indexation des directions
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- [u,v,w] :
entiers sans
dénominateur
commun
- vecteur r=ua+vb+wc
- famille de direction : même
densité de noeuds par unité de
longueur
notation : <u,v,w>
3. Architecture atomique
* Les familles de direction
* système cubique (3 axes de même longueur, 3 angles
droit)
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
[110] = 6
[110] [101] [011] [110] [101] [011]
* système quadratique (2 axes de même longueur, 3
angles droit)
[110] = 2
[110] [110]
3. Architecture atomique
* Indexation des plans
- Indices de Miller (h,k,l)
inverses des intersections du
plan
avec les trois axes du cristal,
en fonction des longueurs a, b et c.
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- détermination des indices :
1-
234-
déterminer les points
d’intersection (l’origine des 3
axes ne doit pas être dans le
plan) 1, 1/2, 2/3
prendre les inverses 1, 2, 3/2
réduire les 3 fractions au plus
petit commun dénominateur 2/2, 4/2, 3/2
prendre les numérateurs 2, 4, 3
- famille de plans : {h,k,l}
3. Architecture atomique
3.2.3 Densité des nœuds et compacité
* Densité de noeuds
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(a) exemple de calcul sur une rangée :
d
 1
2 
 2
a
maille c.f.c.
direction [100]
 1a
z
a
z
[100]
[100]
x
a
x
y
3. Architecture atomique
* Densité de noeuds
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
(b) exemple de calcul sur une surface :
d
z
 1 
 4   1
 4 
a
2
2
maille c.f.c.
plan (100)
a2
z
a
a
y
(100)
y
x
(100)
3. Architecture atomique
* Compacité
- volume des atomes p/r au volume de la maille
- exemple : Cu (c.f.c.)
Volume des atomes
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
Nombre d ' atomes  6  21  8  81  4
Rayon d ' un atome  4  a 2
 
Vatomes  4  
4
3
a 2
4
3
a
 
3  2
6
r
a
Volume de la maille
Vmaille  a 3
Vatomes  2
Compacité: C 

 0,74
Vmaille
6
3. Architecture atomique
3.3 Défauts cristallins
3.3.1 défauts ponctuels
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
•
* 1 Lacune
* 2 Atome autointerstitiel
* 3 Atome étranger en substitution
* 4 Atome étranger en insertion
•
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1
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4
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•
2
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3•
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•
Visualiser vidéo 3.27a
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3. Architecture atomique
3.3 Défauts cristallins
3.3.2 défauts à
une dimension
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
* Les dislocations
(a) cristal parfait
(b) dislocation-coin
(c) dislocation-vis
Vidéo 3.28
3. Architecture atomique
* Dislocations : visualisation selon les plans cristallins
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(a) cristal parfait
(b) dislocation-coin
(c) dislocation-vis
3. Architecture atomique
GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur
3.3 Défauts cristallins
3.3.3 défauts à deux et trois dimensions
joint de
grain
* Deux dimensions
- Macle
- Joints de grains
* Trois dimensions
- Précipités
Vidéo 3.34
grain = monocristal