Transition de phase allotropique dans un joint Σ = 5 (210) à moyenne temperature

Abstract
We describe the first evidence of an allotropic phase transition in a pure grain boundary. A symmetrical grain boundary Σ = 5 (210) of fcc lattice was studied by Molecular Dynamics Simulation technique. The simulations were conducted at six temperatures ranging between 0.32 and 0.82 Tm (Tm : melting point) for a fixed pressure. We find that an allotropic, displacive phase transition occurs at Tc ˜ 0.56 Tm . The transition is characterized by the existence of two well defined structures stable either at low temperatures (T < Tc) or at high temperatures (T > Tc). The transition originates in an increase of grain boundary entropy, which compensates the simultaneous increase of grain boundary internal energy. Its reversible nature underlines the instability of the high temperature structure below Tc. The transition should be general; we show that the transition is linked to the presence of a large localized free volume in the low temperature structure. Our transition is far from the one obtained in other recent simulations which corresponds to a progressive increase of the grain boundary disorder. In our study this behaviour is in fact observed above Tc as well as below.

Résumé
Nous présentons la première évidence d'une transition allotropique dans un joint pur. Le système étudié est le joint symétrique Σ = 5 (210) du cubique faces centrées simulé par la technique de la Dynamique Moléculaire. Les simulations ont été réalisées dans une gamme de températures allant de 0,32 à 0,82 Tf (Tf : température de fusion). Nous montrons que pour une température critique Tc, de l'ordre de 0,56 Tf, le joint subit une transition de phase allotropique de type displacif qui conduit à une réorganisation de la structure de coeur du joint. Elle est caractérisée par l'existence de deux structures differentes, stables de part et d'autre de Tc ; elle s'accompagne d'une augmentation de l'énergie interne d'excès du joint qui est compensée par une augmentation d'entropie. Le caractère réversible de la transformation souligne l'instabilité de la structure hautes températures aux températures inférieures à Tc. La transition est probablement générale car nous montrons qu'elle est liée à l'existence, dans la structure basse température.. d'un volume libre localisé. Elle est bien distincte de l'évolution structurale mise en évidence par des simulations récentes; en effet, celle-ci correspond à une augmentation progressive du désordre dans le joint qui est effectivement observé dans notre étude pour l'ensemble de l'intervalle des températures considérées.