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Chapitre5 cristallographie
Le document présente une étude approfondie sur les solides cristallisés, incluant leur structure, les défauts cristallins, et les systèmes cristallins. Il décrit des concepts clés tels que la cristallographie, les mailles élémentaires, et la déformation plastique des cristaux. Les différents systèmes cristallins et leurs caractéristiques sont également abordés, ainsi que les impacts des défauts sur les propriétés des matériaux.
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- 1. Campus centre Chapitre 5 Lessolides cristallisés et les défauts cristallins Mr Jean Yves Dauphin Mme Mouna Souissi 27/01/2014 Sciences des matériaux 1
- 2. Campus centre Plan Définition 1/ Structurecristalline 2/Les principales structures cristallines 3/ Les sites interstitiels 4/Les défauts cristallins 5/Dislocations et ténacité 27/01/2014 Sciences des matériaux 2
- 3. Campus centre Définition • Lacristallographie : Est La science qui étudie la formation, la forme et les caractéristiques géométriques des cristaux. • Une matière cristalline est un matériau à l'état solide dont les composants chimiques, atomes et molécules sont disposés selon un schéma ordonné tridimensionnel. • Lorsqu'un solide n'est pas cristallin on dit qu'il est amorphe (sans forme). 27/01/2014 Sciences des matériaux 3
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- 5. Définition Campus centre Les solides: L’état solide , état ordonné et condensé, se présente principalement sous deux formes : Solides Amorphe Obtenu par le refroidissement rapide d’un liquide. Ils adoptent la forme qu’on impose lors du refroidissement. Verre, beurre 27/01/2014 Solides cristallins Les solides cristallins apparaissent comme des solides géométriques, limités par des surfaces planes. Sciences des matériaux Silice SiO2 5
- 6. Campus centre Définition • Uncristal est caractérisé par la répétition tridimensionnelle d'un "motif" (atomes, molécules, …) sur une très grande distance. • Le réseau cristallin est un assemblage de lignes fictives qui rend compte de la répétition des nœuds et matérialise les vecteurs de translation. 27/01/2014 Sciences des matériaux 6
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- 8. Campus centre Principe 1 Principes Principe2 Principe 3 La valeur des angles dièdres est Les cristaux ont une structure constante même si la forme "périodique" en réseau. Le plus varie petit volume formant un cristal est appelé maille élémentaire. nœud c b 27/01/2014 Les diverses formes cristallines que peut prendre une espèce minérale découlent toutes du parallélépipède de la maille élémentaire par un phénomène de troncature où une surface va remplacer soit un sommet, soit une arête. a Maille ,Arêtes,matériaux Sciences des Angles 8
- 9. Principe 2 : uncristal cubique (Pyrite par exemple) formé de millions de mailles élémentaires. 27/01/2014 Sciences des matériaux 9
- 10. Campus centre LES ÉLÉMENTSDE SYMÉTRIE Centre de symétrie Point imaginaire où se croisent des lignes imaginaires joignant les sommets deux à deux. Ce centre est toujours noté C. Plans de symétrie Axes de symétrie Un plan de symétrie divise le Un axe de symétrie est un cristal en deux moitiés qui axe autour duquel on fait sont le miroir l'une de pivoter un cristal. l'autre. Un axe inverse est un axe autour du quel, lors de la rotation, le cristal se trouve dans une position identique inversée. 27/01/2014 Sciences des matériaux 10
- 11. Campus centre Systèmes etréseaux • Il existe 7 systèmes cristallins simples. Les systèmes "simples" ne contiennent qu'un motif par maille = maille dite "élémentaire« • Il existe d’autres systèmes qui contiennent plusieurs motifs =mailles dites "multiples". systèmes "centrés" (avec un atome au centre de la maille) systèmes faces centrées (avec un atome au centre de chaque face) systèmes bases centrées (avec un atome au centre de 2 seulement des faces). • L’ensemble de ces systèmes forment les 14 réseaux de Bravais . 27/01/2014 Sciences des matériaux 11
- 12. Campus centre 27/01/2014 LES SEPTSYSTÈMES CRISTALLINS Sciences des matériaux 12
- 13. LES SEPT SYSTÈMESCRISTALLINS Campus centre • Les réseaux 3D: Paramètres Polyèdre Système cristallin a≠b≠c , et quelconques Parallélépipède quelconque a≠b≠c ==π/2 quelconque Prisme droit à base parallélogramme a≠b≠c ===π/2 Parallélépipède rectangle Orthorhombique a = b=c == quelconques Rhomboèdre Rhomboédrique a = b≠c ===π/2 Prisme droit à base carrée Quadratique a = b≠c ==π/2 = 2π/3 Prisme droit à base losange à 2π/3 Hexagonal a = b=c ===π/2 Cube 27/01/2014 Sciences des matériaux Triclinique Monoclinique Cubique 13
- 14. Les 14 réseauxde Bravais 27/01/2014 Sciences des matériaux 14
- 15. Campus centre 27/01/2014 Les typesde mailles Sciences des matériaux 15
- 16. Campus centre 1/La structurecristalline Les éléments de la structure cristalline La masse volumique théorique. Théorique M asse des atomes du motif Volume de maille n Théorique M j 1 j NV n = nombre d’atomes du motif – Mj = masse atomique de l’atome j N = nombre d’Avogadro - V = volume de la maille Effet des défauts cristallins 27/01/2014 Théorique Réelle Sciences des matériaux 16
- 17. Campus centre 1/La structurecristalline Les éléments de la structure cristalline La coordination. Coordination = nombre de premiers voisins Varie de 3 à 12. La compacité. Compacité = Volume des sphères atomiques/ Volume de la maille 27/01/2014 Sciences des matériaux 17
- 18. Campus centre Compacité • Lacompacité C est un nombre sans dimension qui mesure le taux d’occupation réel de l’espace par les atomes ou les ions assimilés à des sphères dures. • Elle est toujours comprise entre 0 et 1. • Souvent on l’exprime en pourcentage. 27/01/2014 Sciences des matériaux 18
- 19. Campus centre 1/La structurecristalline. Les plans réticulaires – Indices de Miller. Familles de plans parallèles caractérisés par leur équidistance et leur densité atomique. 27/01/2014 Sciences des matériaux 19
- 20. Campus centre 1/La structurecristalline. Les plans réticulaires – Indices de Miller. Nous avons différentes possibilités pour qu’un plan coupe les axes tridimensionnels. Ce plan peut couper 1, 2 ou 3 axes, a, b et c, on note 1 quand l'axe est coupé, on note 0 quand le plan est parallèle a un axe. Sur le dessin 1 il coupe l’axe B tout en étant parallèle aux axes A et C, on le note 010. Sur le dessin 2 il coupe les axes B et C tout en étant parallèle à l’axe A on le note 011. Sur le dessin 3 il coupe les trois axes A, B et C formant un angle équilatéral on le note 111. 27/01/2014 20
- 21. Campus centre 27/01/2014 Les plansréticulaires – Indices de Miller. 21
- 22. Campus centre 27/01/2014 Les plansréticulaires – Indices de Miller. Sciences des matériaux 22
- 23. 1/La structure cristalline. Campuscentre Les indices de Miller d’un plan cristallographique. Intersections du plan avec la maille en X, Y et Z. Aussi définies par A= X/a, B = Y/b et C = Z/c n A n k B n l C h Indices de Miller h, k, et l entiers tels que Distance interréticulaire d hkl a (h 2 k 2 l 2 ) Cas des cubiques, a = paramètre de maille 27/01/2014 Sciences des matériaux 23
- 24. Campus centre 1/La structurecristalline. Les indices de Miller de quelques plans cristallographiques simples. 27/01/2014 Sciences des matériaux 24
- 25. Campus centre 1/La structurecristalline. Les directions cristallographiques. 27/01/2014 Sciences des matériaux 25
- 26. 2/Les principales structurescristallines. Campus centre Systèmes cristallins des métaux. Le système cubique à faces centrées : Ag, Al, Au, Cu, Fe, Ni, Pb, Ca. Motif de 4 atomes situés en (0,0,0) ;(0,1/2 ,1/2) ;(1/2,1/2 ,0) et (1/2,0,1/2 ). Empilement compact obtenu dans les plans diagonaux (111). Atomes au contact le long de la diagonale d’une face. Coordination = 12 . Compacité = 0.74. 27/01/2014 Sciences des matériaux 26
- 27. 2/Les principales structurescristallines. Campus centre Systèmes cristallins des métaux. Le système hexagonal : Be, Cd, Co, Mg, Ti, Zn, Zr, Cgraphite.. Paramètres a et c, angle = 2p/3 Motif de 2 atomes en (0,0,0) et (1/3, 2/3,1/2) Compacité théoriquement égale au CFC (pas dans la réalité) 27/01/2014 Sciences des matériaux 27
- 28. 2/Les principales structurescristallines. Campus centre Systèmes cristallins des métaux. Le système cubique centré : Cr, Fe, Li, K, Na, Mo, Ti, W. Motif de 2 atomes en (0,0,0) et (1/2,1/2,1/2). Empilement non compact . Compacité = 0.68 Direction dense : la diagonale du cube 27/01/2014 Sciences des matériaux 28
- 29. 2/Les principales structurescristallines. Campus centre Systèmes cristallins des métalloïdes. Structure du silicium, du carbone diamant, du gallium, du germanium 27/01/2014 Sciences des matériaux 29
- 30. 2/Les principales structurescristallines. Campus centre Systèmes cristallins des céramiques et des composés minéraux. a – CsCl b – NaCl c – ZnS d – CaF2 e – BaTiO3 27/01/2014 Sciences des matériaux 30
- 31. 2/Les principales structurescristallines. Campus centre Systèmes cristallins des polymères. Système orthorhombique du polyéthylène PE 27/01/2014 Sciences des matériaux 31
- 32. 3/ Les sitesinterstitiels. Campus centre Cas du système CFC 27/01/2014 Sciences des matériaux 32
- 33. 4/ Les défautscristallins. Campus centre 1-/ Les défauts ponctuels : lacunes et atomes interstitiels. LL LL I I 2-/ Les défauts linéaires : les dislocations. 3-/ Les défauts surfaciques : les joints de grains et les fautes d’empilement. 27/01/2014 Sciences des matériaux 33
- 34. 4/ Les défautscristallins. Campus centre Les dislocations. Dislocation « vis » Dislocation « coin » Dislocation réelle courbe Boucle de dislocation 27/01/2014 Sciences des matériaux 34
- 35. 4/ Les défautscristallins. Campus centre Les dislocations : la dislocation « Coin » 27/01/2014 Sciences des matériaux 35
- 36. 4/ Les défautscristallins. Campus centre Les dislocations : la dislocation « Coin » 27/01/2014 Sciences des matériaux 36
- 37. 4/ Les défautscristallins. Campus centre Les dislocations Déplacement d’une dislocation coin Déplacement d’une dislocation vis 27/01/2014 Sciences des matériaux 37
- 38. 4/ Les défautscristallins. Campus centre Les dislocations réelles : mélange de « vis » et de « coin ». 27/01/2014 Sciences des matériaux 38
- 39. 4/ Les défautscristallins. Campus centre Les dislocations réelles : les lignes, les nœuds, le réseau. Dislocations en réseau dans un acier inoxydable écroui Empilement de dislocations formant un joint de grain 27/01/2014 Sciences des matériaux 39
- 40. 4/ Les défautscristallins. Campus centre La multiplication des dislocations. Densité de dislocations L, en cm/cm3 = cm-2 Matériau monocristal à l’équilibre 102 métal normal 105 métal déformé 108 à 1010 métal irradié 27/01/2014 L en cm-2 jusqu'à 1015 Sciences des matériaux 40
- 41. 5/ La déformationplastique des cristaux. Campus centre La déformation par glissement d’un monocristal. Surface polie d’un échantillon de fer après déformation plastique 27/01/2014 Sciences des matériaux 41
- 42. 5/ La déformationplastique des cristaux. Campus centre Les systèmes de glissement dans les structures cristallines les plus importantes. 27/01/2014 Sciences des matériaux 42
- 43. 5/ La déformationplastique des cristaux. Campus centre Le glissement et son facteur de Schmid. Fc F cos l S0 Sc cos f cos f cos l Le facteur de Schmid du plan de glissement est : cos f . cos l 27/01/2014 Sciences des matériaux 43
- 44. 5/ La déformationplastique des cristaux. Campus centre La déformation d’un système polycristallin. 27/01/2014 Sciences des matériaux 44
- 45. 5/ Dislocations etténacité. Campus centre Les dislocations dans les diverses classes de matériaux. 1-/ Existent seulement dans les matériaux cristallisés. 2-/ Les dislocations présentes dans les cristaux de céramiques sont très difficiles à déplacer : le comportement est fragile. 3-/ Pour obtenir un matériau déformable plastiquement et tenace, il faut un solide métallique avec au moins 5 systèmes de glissement différents. 27/01/2014 Sciences des matériaux 45
- 46. 5/ Dislocations etténacité. Campus centre Conditions pour qu’un matériau possède une forte ténacité Dislocations? oui (cristallisé) non (amorphe) Mobiles? oui Système cristallin simple non Système cristallin complexe Mécanismes de multiplication? oui non Ténacité élevée 27/01/2014 Sciences des matériaux 46 46