Precipitation kinetic paths in solids
Chemins cinétiques de précipitation dans les solides
Résumé
The precipitation, which is an important phase transformation in condensed matter physics, has been studied in this PhD thesis.
A thermodynamic model accounting for the observed increase of the solute content in coherent precipitates with their size during precipitation kinetics is developed. The model is based on a Gibbs energy minimization criterion. It proves the importance of the elastic and interfacial energies in investigating the thermodynamic stability of coherent nano-precipitates. The reliability of the model is confirmed by experimental results.
The precipitation kinetics in multicomponent alloys is treated with a particle size distribution model where analytical equations of nucleation, growth and coalescence are integrated numerically. This powerful numerical tool for the description of kinetic paths is valid for weakly supersaturated solid solutions and is not time consuming. It provides information on complex compositions evolution during the transformation due to the competition between thermodynamics and diffusion process.
This thesis also discusses the concepts and limits of classical nucleation theory. The reliability of the nucleation rate expression is investigated in terms of supersaturation. It is shown that even if a proper trend is obtained, the results are not quantitative since the matrix depletion has not been
taken into account.
To compare some of our results with experiments, precipitation patterns in the CuAg binary alloy are studied by TEM.
La précipitation, qui est une transformation de phase très importante en physique de la matière condensée, est le point central de cette thèse.
Un modèle thermodynamique concernant la précipitation cohérente a été développé. Il rend compte de l’augmentation observée en cours de cinétique de la teneur en solutés dans les précipités avec leur taille. Le modèle est basé sur un critère de minimisation de l’enthalpie libre. Il prouve de l’importance de la prise en compte des énergies élastique et interfaciale dans l’examen de la stabilité thermodynamique d’une assemblée de nano-précipités cohérents. La confrontation expérimentale valide le modèle.
La cinétique de précipitation dans les multicomposants est traitée via un modèle de classes de tailles où sont intégrées numériquement les équations analytiques de germination, croissance et coalescence. Cet outil numérique puissant pour la description des chemins cinétiques est valable pour des solutions solides faiblement sursaturées et est peu coûteux en temps de calculs. Il apporte des informations sur les évolutions complexes de compositions pendant la transformation dues à la compétition entre thermodynamique et processus de diffusion.
Cette thèse revient également sur les concepts et limites de la théorie classique de la germination. La validité de l’expression du flux de germination est examinée en fonction de la sursaturation. Il est montré que même si celui-ci donne la bonne tendance, le fait de ne pas prendre en compte l’appauvrissement de la phase mère fausse les résultats quantitatifs.
Enfin dans un souci de confrontation expérimentale, les modes de précipitation dans l’alliage binaire CuAg sont étudiées par MET.
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