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

Résumé
Nous présentons une étude expérimentale et fondamentale de la dynamique nonlinéaire
des fronts de solidification directionnelle en échantillons minces (géométrie
2D) d’alliages transparents non-facettés (en particulier CBr 4 -C 2 Cl 6 ), observées en
temps réel. Des microstructures stationnaires périodiques à l’échelle du micron, typiques
d’un système étendu maintenu hors d’équilibre, apparaissent au front de
croissance cristalline à partir d’instabilités de l’interface solide-liquide gouvernées
par la diffusion, restabilisées par la capillarité. Dans les alliages dilués, nos observations
mettent au clair l’influence de l’anisotropie interfaciale sur la stabilité des
fronts cellulaires et dendritiques. En faisant varier l’anisotropie effective (2D) en
fonction de l’orientation du cristal dans les échantillons minces, nous avons découvert
de nouvelles transitions morphologiques vers des structures non-dendritiques,
en particulier la structure "en algue" et le doublon à anisotropie interfaciale nulle.
Nous étudions aussi un mécanisme de polygonisation dynamique (production de
sous-joints de grains en cours de solidification). Dans les alliages eutectiques, nous
dressons un diagramme des morphologies 2D étendues homogènes (bifurcations par
brisure de symétrie) et localisées. Ces résultats sont appuyés par des simulations
numériques quantitatives (collaborations). Nos études à long terme concernent 1-
l’observation directe de la dynamique des structures de solidification eutectique lamellaires
et fibreuses d’alliages transparents en échantillons massifs ; 2-la mesure
de coefficients d’anisotropie et l’observation de transitions morphologiques dans des
cristaux orientés d’alliages métalliques en échantillons minces ; 3-la solidification
d’alliages facettés ; 4- la maîtrise des microstructures par micromanipulation.
Summary
We present an experimental and fundamental study of the nonlinear dynamics of
directional solidification fronts in thin samples (2D geometry) of nonfaceted transparent
alloys (in particular CBr 4 -C 2 Cl 6 ), by real-time observation. Steady, periodic
structures (on a micron scale) of the crystal growth front, typical of a pattern formation
in a spatially extended system maintained out of equilibrium, arise from
diffusion controled morphological instabilities of the solid-liquid interface restabilized
by the capillarity. In dilute alloys, we cast light on the influence of the interfacial
anisotropy on the stability of cellular and dendritic structures. We find new morphologies,
in particular the "seaweed" structure and the doublon for a vanishing
anisotropy, by changing the orientation of the crystal, thus the effective (2D) anisotropy,
in a thin sample. We also study a mechanism of formation of subboundaries
in single crystals. In eutectic alloys, we could draw a morphology diagram of (2D)
homogeneous, extended lamellar microstructures (symmetry breaking bifurcations)
and of various localized dynamical objects. These results are supported by quantitative
numerical simulations (collaborations). Our long-term research studies will
concern 1- the direct observation of the dynamics of lamellar and fibrous eutectic
solidification structures of transparentalloys in semi-bulk samples by in situ ; 2- the
measurement of anisotropy coefficients and the direct observation of microstructure
transitions in crystals of known orientation of metallic alloys in thin samples ; 3- the
solidification of faceted alloys ; and 4- the feedback control of solidification microstructures
with a new micromanipulation method.