Thèse d'Habilitation à Diriger les Recherches Université Pierre et ...

Chapitre 1
Introduction générale
La formation des microstructures de solidification est le résultat d’un phénomène
de structuration non-linéaire d’un système étendu maintenu hors d’équilibre
(out-of-equilibrium pattern formation) [1, 2, 3, 4, 5]. La solidification –croissance
d’un solide cristallin à partir d’un liquide– se produit par propagation de l’interface
solide-liquide. Elle s’accompagne, dans les mélanges, du rejet de chaleur et d’espèces
chimiques, dont le transport est assuré par la diffusion. L’alliage ainsi produit
n’est généralement pas homogène : on y observe, sur une grande gamme d’échelles
souvent proche du micron, des modulations de composition, une dispersion de différentes
phases cristallines, une structure de grains ou des arrangements de défauts
de réseau [6, 7, 8]. Ces microstructures sont la trace, figée dans le solide, d’instabilités
morphologiques du front de solidification, c’est-à-dire de modulations, à la
même échelle, de la forme de l’interface solide-liquide et du champ de concentration
associé. Dans les alliages non-facettés (les métaux par exemple), quand l’interface
reste proche de l’équilibre local, ces instabilités sont gouvernées par le couplage entre
les gradients de diffusion et la vitesse de propagation de l’interface [9, 10, 11, 12].
Les microstructures se restabilisent sous l’effet des forces capillaires. De cette compétition
dynamique entre diffusion et capillarité résultent des formes de croissance
variées dont la taille n’est fixée qu’en ordre de grandeur. Expérimentalement, la distribution
spatiale des microstructures varie en fonction des conditions aux limites
et de l’histoire de l’expérience. Cette "multistabilité" est une caractéristique fondamentale
d’un problème non-linéaire à frontière libre, dont les solutions n’obéissent
à aucun principe de minimisation.
Nous présentons ici une revue expérimentale de la formation des microstructures
de solidification par une méthode de laboratoire, la solidification directionnelle en
échantillons minces d’alliages transparents, ou SDEM (Fig. 1.1). Cette méthode, inventée
par Jackson et Hunt dans les années 1960 [13, 14], a été reprise par différentes
équipes (notamment celles de W. Kurz [15], R. Trivedi [16], H. Cummins [17], A. Libchaber
[18], C. Guthmann [19], G. Faivre [20], P. Oswald [21] et A. Pocheau [22]) à
partir des années 1980. Sous un éclairage nouveau, celui de la physique non-linéaire,
les observations obtenues en SDEM apportent des réponses souvent inattendues à
des questions d’intérêt fondamental, parfois anciennes, mais non résolues jusque là.
Notre contribution dans ce domaine concerne deux types de microstructures de solidification,
cellulaires et dendritiques d’une part, et eutectiques lamellaires d’autre
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