M1 Formation de verre : cinétique de refroidissement

Topique

Lorsque ce verre en fusion refroidit à partir de son état liquide, sa vitesse de refroidissement, à laquelle il perd de la température, est en compétition constante avec la cinétique de nucléation et de croissance cristalline. Avec le temps, ces processus transformeraient le verre en fusion en un solide cristallin. Plus la vitesse de refroidissement est élevée, moins le verre en fusion dispose de temps, à chaque intervalle de température, pour que la nucléation et la croissance cristalline produisent des cristaux.

Il existe, en réalité, une vitesse de refroidissement critique, décrite par le critère d'Uhlmann, au-delà de laquelle la cinétique de nucléation et de croissance cristalline ne permet plus de produire une fraction cristallisée détectable avant que le verre en fusion ne devienne trop froid et visqueux pour poursuivre la cristallisation. Si la vitesse de refroidissement du verre en fusion dépasse cette vitesse critique, la cristallisation est empêchée et le verre en fusion, au lieu de se solidifier en un solide cristallin, se fige en conservant sa structure désordonnée. En revanche, si la vitesse de refroidissement n'atteint pas cette vitesse critique, la cristallisation peut se produire avant la solidification du verre en fusion. La cinétique de nucléation et de croissance cristalline, qui entre en compétition avec la vitesse de refroidissement, est déterminée à chaque instant par le taux de nucléation du bain fondu : plus le nombre de germes de cristallisation par unité de temps et de volume est élevé, plus la fraction cristallisée du bain fondu croît rapidement, conformément à l’équation d’Avrami, pour un temps de séjour donné. À vitesse de refroidissement égale, un taux de nucléation plus élevé rend plus difficile le dépassement de la vitesse critique nécessaire pour empêcher la cristallisation par cette vitesse de nucléation.

Ce taux de nucléation, à vitesse de refroidissement égale, rend donc plus difficile le dépassement de la vitesse critique nécessaire pour empêcher la cristallisation. Par conséquent, ce modèle, centré sur la compétition entre la vitesse de refroidissement et la cinétique de nucléation et de croissance cristalline, définit la vitrification précisément comme cette cristallisation empêchée : le bain fondu devient ce verre non pas par un processus supplémentaire de transformation, mais parce que la vitesse de refroidissement empêche le taux de nucléation et la fraction cristallisée, tous deux régis par l’équation d’Avrami, de produire des cristaux avant la solidification du bain fondu. Le fait que ce même taux de nucléation et cette même fraction cristallisée, régis par Avrami, se produisent lorsque ce verre déjà formé est réchauffé ou reste en service prolongé à haute température conduit un autre modèle de cet ensemble à réutiliser ces mêmes équations comme une pathologie — la dévitrification — au lieu de ce processus contrôlé de formation de verre.

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