2
Microstructure des matériaux non organiques
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Les différents éléments de la microstructure
déjà vus lors du premier cours
ici : leur agencement, du point de vue de l’ingénieur
examen ou expertise d’un matériau
conception d’un nouveau matériau
Les moyens de caractérisation physico-chimique et mécanique
de plus en plus variés... comment choisir
Vers le « génie des microstructures »
ingénierie intégrant la microstructure dans l’optimisation du matériau
les meilleurs ?
les mieux adaptés ?
3
Les éléments de la microstructure
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
De l’échelle la plus fine à l’échelle macroscopique
solution solide
distribution des phases
grains
porosité
Les propriétés régies par chacun de ces éléments
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Solution solide (1/9) : propriétés cristallographiques
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Est-elle cristalline ou amorphe?
Propriétés des matériaux amorphes
diffusion rapide
propriétés optiques
pas de joints de grains
pas de dislocations
Exemple : les verres métalliques très durs et résistants à la corrosion
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Solution solide (2/9) : verres métalliques
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Année
Ep
aiss
eur
max
. réa
lisab
le (
cm)
Comment obtenir des verres métalliques « massifs »?
J.F. Löffler,2003
6
Solution solide (3/9) : verres métalliques
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Conditions d’obtention des verres métalliques :
au moins 3 ou 4 éléments chimiques
écart de rayon atomique > 12% d’un élément à l’autre
température de transition vitreuse élevée (Tg ≥ 0,6 Tfusion)
diffusion lente dans le liquide (viscosité élevée)
« verres métalliques massifs »
vitrifier le liquide pour des vitesses de refroidissement modérées
énergie d’interface liquide/phases cristallines élevée ⇒ germination difficile
enthalpies de mélange négativesles phases cristallines à l’équilibre sont des composés intermédiairestendance à se regrouper dans le liquide
selon des structures (aléatoires) ≠ de celles des phases cristallines⇒ croissance difficile des phases cristallines
7
Solution solide (4/9) : verres métalliques
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Illustration thermodynamique pour un système à 2 constituants
diagramme d’équilibre suppression de la phase intermédiaire
prolongation des courbes de liquidus
L
ααααββββγγγγ
γ + βγ + βγ + βγ + βα + γα + γα + γα + γ
J.H. Perepezko, 2004
8
diagramme d’équilibre
L
ααααββββγγγγ
γ + βγ + βγ + βγ + βα + γα + γα + γα + γ
Solution solide (4/9) : verres métalliques
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Illustration thermodynamique pour un système à 2 constituants
diagramme d’équilibre diagramme métastable : eutectique
bas point de fusion : forte énergie d’interface
J.H. Perepezko, 2004
9
Solution solide (5/9) : verres métalliques
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Illustration thermodynamique pour un système à 2 constituants
eutectique métastable courbes T0 (absence de diffusion)
T0 : T pour laquelle les deux phases ont la même G à compositions chimiques identiques(refroidissement rapide)
non miscibles miscibles
αααα
α + βα + βα + βα + β
ββββL + β+ β+ β+ βα + α + α + α + L
L
T0 (L,αααα) T0 (L,ββββ)
J.H. Perepezko, 2004
10
Solution solide (6/9) : verres métalliques
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Illustration thermodynamique pour un système à 2 constituants
courbe Tg = f(composition)courbes T0 pour chaque phase
vitrifier avant d’atteindre T0
Tg = f(compo.)αααα ββββ
L
αααα ββββ
L
V
J.H. Perepezko, 2004
11
Solution solide (7/9) : verres métalliques
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Propriétés résultantestrès grande duretérésistance à la traction élevéerésistance à la corrosion élevéeténacité élevéebase Fe-Co :
magnétiquement doux
Module d’Young (GPa)
Ré
sist
anc
e à
la t
ract
ion
(MP
a)
vitreuxcristallins A. Inoue, 2000
A. Inoue,2000
Zr-Al-Ni-Cuamorphe
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Solution solide (8/9) : ordre
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
solution solide ordonnée solution solide désordonnée
stable à haute température(entropie)
stable à basse températuresi enthalpie de mélange <0
dureté élevéefragilité
métaux : dislocations peu mobiles
⇒
risques de ségrégationcorrosionfragilisation
⇒
13
Solution solide (9/9) : défauts ponctuels
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Lacunes
gouvernent la diffusion des atomes de la structure
déformation à chaud (viscosité, fluage)formation de nouvelles phases
vieillissementcorrosion, oxydation
transport de charges électriques (conduction ionique)
condensation possible en cavités ⇒ endommagement prématuré
Eléments en solution
propriétés physiques : électriques, magnétiquescf. contrôle des pièces dans les monnayeurs
modification des propriétés mécaniquescf. cours 20 sur le durcissement
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Arrangement des phases (1/4)
Gouverne la plupart des propriétés des matériaux
exemples : dureté (selon dispositions respectives des phases molles et dures)transport (percolation de la phase « poreuse »)couplage galvanique entre phases (corrosion)
Moyens d’investigation
coupes (2D) + analyse d’images
⇒ outils de la morphologie mathématique : 2D et 3D
tomographie (3D)
Une gamme d’échelles extrêmement large
du nm (nanomatériaux) au cm : 7 ordres de grandeur
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
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Arrangement des phases (2/4)
Quelques exemples de tomographie 3D
108 mm400 µmbéton
http://ciks.cbt.nist.gov/~garbocz/ J.S. Blazy, KU Leuven, 2002
mousse Al
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
16
Arrangement des phases (3/4)
Exemples de matériaux à structure fine
50 nm50 nm50 nm
verre biphasé (MET)
Y.M. Chiang, W.D. Kingery, 1983
verre métallique Al92Sm8, traité
germination de nanocristaux
J.H. Perepezko, 2004
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
17
Arrangement des phases (4/4)
Le béton : un matériau multiéchelles
5 mm5 mm5 mm1 cm
10 µm10 µm10 µm10 µmJ.M. Aubray , 2003 cliché Centredes Matériaux
http://www.nist.gov
1 mm
ciment « pris » :
surface spécifique : 700 m²/g !
17 vol.% de pores capillaires (10-500 nm)22 vol.% de pores du gel (qq. Å à 10 nm)61 vol.% de gel solide (CSH)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
18
Grains (1/1)
Effets d’une taille de grain fine
dureté, déformabilité (ductilité) et résistance à la fatigue
champs coercitifs élevésles joints de grains bloquent les parois de domaines
diffusion facile à haute température
bénéfique : formage par superplasticité
déformabilité de 500% sans endommagement
nocive : déformation à chaud, endommagement des joints par cavitation (lacunes)
Exemples : vitrocéramiques, aciers de nouvelle génération pour boîte boisson ou automobile...
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
19
Porosité (1/3)
Rôle bénéfique
donner de la souplesse à un matériau fragile ⇒ accommoder les déformations
briques : cycles thermiques, prise du mortier
mousses : confort
conférer une surface spécifique élevée
catalyseurs, batteries, accrochage mécanique de revêtements...
Rôle nocif
les pores sont des points faibles du matériau
concentration de contraintes en leur voisinage
endommagement
perméabilité aux espèces chimiques nocives
exemple : endommagement des bétons par les sulfates
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
20
Porosité (2/3)
500 µm
périclase (MgO)
1 mm
porosités
chromite
mousse Ni pour batteriesde téléphone portable
brique réfractaire Cr2O3 - MgOpour fours industriels
X. Badiche et coll, 2000 J.A. Malarría, R. Tinivella, 1997
⇒ surface spécifique élevée ⇒ encaisser les cycles thermiques
Quelques exemples de matériaux poreux
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
21
Porosité (3/3)
H.G. Parks, H.J. Parks,R. Stevens, 2004
Quelques exemples de matériaux poreux frittés
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
frittage d’une alumineissue de cendres de haut-fourneau
revêtement d’alumine purefritté par laser
H. Exner, A.-M. Reinecke,M. Nieher, 2002
frittage : réduction de l’énergie
de surface
10 µm10 µm 5 nm
22
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Il existe pléthore de méthodes expérimentales complémentaires
Quelques questions à se poser pour choisir telle ou telle méthode
communes à tous les types de caractérisation
particulières à telle ou telle caractérisation
Méthodes de caractérisation des matériaux (1/7)
Trois exemples :
imagerie / morphologie
composition chimique / identification de phases
propriétés mécaniques
23
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Méthodes de caractérisation des matériaux (2/7)
Quelques « bonnes » questions à se poser avant toute analyse
Coût, disponibilité, délai des analyses
directe ou indirecte ?
destructive ou non destructive ? Méthode :
géométrie de l’échantillon ? surface ou volume ?
Résultats :
valeur moyenne ou répartition statistique ?
quantitatifs ? moyens, coût, durée d’étalonnage ?
résolution spatiale, profondeur et quantité de matière analysée représentativité, effets d’échantillonnage
24
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Méthodes de caractérisation des matériaux (3/7)
Caractérisation morphologique : imagerie et analyse d’images
25
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Méthodes de caractérisation des matériaux (4/7)
Caractérisation morphologique : imagerie et analyse d’images
Taille de la zone à observer
Résolution spatiale en largeur
Epaisseur sondée
Repérage de la zone analysée (« croiser » les techniques)
compromis entre résolution spatiale et effets d’échantillonnage statistique
qq. µm : microscopie optique< µm : MEB> nm : METatomes : FIM, sonde atomique, AFM, STM
~ 0: microscopie optiquenm : imagerie Auger, imagerie en perte d’énergie des e-
µm : MEB> mm : microscopie acoustique, tomographie des RX,
contrôles non destructifs (courants de Foucault, US)
26
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Méthodes de caractérisation des matériaux (5/7)
Caractérisation chimique et identification de phases
27
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Méthodes de caractérisation des matériaux (6/7)
Caractérisation chimique et identification de phases
Nature (numéro atomique) des éléments analysés ?
Analyse en surface ou en volume ?surface sans érosion : AES, XPS, UPSsurface avec érosion (profils en profondeur) : GDOS, SIMS, AES, XPS
volume
~ nm : EELS, nanodiffraction~ µm : microsonde électronique, analyse nucléaire...~ mm : diffraction des rayons X~ cm : diffraction des neutrons
Seuils de détection et résolution : 1 % : EDS, AES, XPS, EELS1 à 100 ppm : WDS, LAMMA, NRA< 1ppm : SIMS
étalonnage relativement aisé : EDS, WDS, NRAétalonnage long / difficile : SIMS, AES, GDOS
Résultats quantitatifs ?
28
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Méthodes de caractérisation des matériaux (7/7)
Caractérisation mécanique
Effets d’environnement et de vieillissement (température, corrosion...)
Effets d’échantillonnage : phénomènes statistiquement dispersés (rupture fragile...)
Mode de chargement mécanique (uniaxial ou multiaxial, effets d’histoire)
Observation in situ (microscopie) :attention aux effets de surface !accès aux mécanismes physiques
Mesures :ponctuelles (in situ ou non)par champs (speckle, corrélation d’images)en volume (émission acoustique…)
Critères géométriques :taille d’éprouvette de labo / du composanttaille d’éprouvette de labo / VER du phénomènegradients et hétérogénéités (entailles, défauts, fissures...)
29
Ingénierie des microstructures
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Comment ajuster la microstructure aux propriétés requises ?
rendre les matériaux plus performants !
Pour chaque exemple :
cahier des charges
état de l’art et évolutions récentes
nature et impact des microstructures
Trois exemples :
aciers pour l’automobile : la « caisse en blanc »
superalliages pour aubes de turbines aéronautiques
vitrocéramiques résistantes au choc thermique
30
Aciers pour la « caisse en blanc » automobile (1/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Caisse en blancouvrants (portières, capots, toit...)
pièces de structure (longerons, traverses...)
résistance mécanique, tenue aux vibrations
pièces de sécurité (crash-tests)
www.oit.doe.gov/expo/lkavanagh
31
Aciers pour la « caisse en blanc » automobile (2/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Cahier des charges
résistance mécanique élevée (alléger le véhicule)
résistance à la rupture
soudabilité faible teneur en C
bon accrochage de la couche Znhaute puretélimiter Si
bas coût (concurrence)proscrire Ni, Cr, Mo...traitements thermiques simples
ouvrants : faible limite d’élasticité emboutissage facile
pièces de structure : très haute résistance + ductilité absorption d’énergie
32
Aciers pour la « caisse en blanc » automobile (3/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Une large gamme de produits
(super-emboutissables)
(emboutissables)
(TRIP)
(haute limited’élasticité)
(très haute résistance)
(super-emboutissables)
(emboutissables)
(TRIP)
(haute limited’élasticité)
(très haute résistance)
ouvrants pièces de structure
résistance : 200-1000 MPa
ductilité : 10-50%
Pièces de structure :
absorber de l’énergie
ETrésistance
ductilité
O. Akisue, M. Usuda, 1993
33
Aciers pour la « caisse en blanc » automobile (4/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
(super-emboutissables)
(emboutissables)
(TRIP)
(haute limited’élasticité)
(très haute résistance)
(super-emboutissables)
(emboutissables)
(TRIP)
(haute limited’élasticité)
(très haute résistance)
ouvrants pièces de structureAmélioration du compromis
résistance/ductilité
HLE
DPcommercialisés
TRIPen phase d’industrialisation
34
Aciers pour la « caisse en blanc » automobile (5/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Phases présentes dans les aciers
fer pur, équilibre à la pression atmosphérique :
T
912°C 1394°C 1538°C
ferrite CC ferrite CCausténite CFC liquide
ajout d’éléments d’alliage :
modifie
stabilité de l’austénite
phases existantes (carbures...)
possibilité d’obtention de la martensite QC, métastable et dure, à partir de l’austénite, à la place de la ferrite
35
Aciers pour la « caisse en blanc » automobile (6/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Composition chimique
éviter les carburesaptitude au revêtement par Zn
duretéduretéstabilité de la phase haute T (austénite)
duretéstabilité de la phase haute T (austénite)soudabilité
36
Aciers pour la « caisse en blanc » automobile (7/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Microstructure
IF DP TRIP
TRIP : ferrite (ductilité)austénite : se transforme en martensite sous déformation ⇒ ductilité et résistancebainite : permettre la formation de l’austénite métastable
IF : ferrite pure, sans interstitiels pour un emboutissage régulierinterstitiels (C, N) piégés dans des précipités
DP : ferrite (ductilité) + martensite (résistance) : composite in situ
100 µmArcelor R&D 20 µm
ferrite martensite
Arcelor R&D 5 µm
ferrite bainite austénite
M. Radu, ENSMP
37
Superalliages pour aubes de turboréacteurs (1/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
www.snecma-moteurs.com
33 à 52 tonnes de poussée
(gros porteurs : B777)
GE90 :
soufflantecombustion + turbine
Maximum de poussée par kg de moteur augmenter la T en zone chaude
masse : 7 tonneslongueur : 5 mdiamètre : 3 m
objectif : T entrée turbine + 10°C par an 0,25 point de rendement thermo
38
Superalliages pour aubes de turboréacteurs (2/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Cahier des charges des aubes de turbine
doc. Snecma Moteurs
résistance à la déformation à haute température
résistance à la corrosion (oxydation)
formabilité (pièces de géométrie complexe)
résistance à la fissuration à haute température
disponibilité de la matière
coût raisonnable (achat et maintenance)
fiabilité irréprochable
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Superalliages pour aubes de turboréacteurs (3/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
1940 1960 1980 2000Année
T d
’ent
rée
des
gaz
(°C
)
Evolution de la température d’entrée des gaz dans la turbine
+50°C tous les 10 ans
comment a-t-on fait ?
doc. ONERA
40
Superalliages pour aubes de turboréacteurs (4/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
1940 1960 1980 2000
Année
T d
’en
trée
des
gaz
(°C
)
Point de départ : solution solide Fe-Ni-Cr
durcir avec des éléments d’alliage
1 k
si ≈
7 M
Pa
insuffisant
Superalloys II
41
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
1940 1960 1980 2000
Année
T d
’en
trée
des
gaz
(°C
)
Superalliages pour aubes de turboréacteurs (5/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Durcir avec une seconde phase : γ’ (Ni 3Al) ordonnée
superalliages base Nipoint faible = joints de grains
NiAl
forte fraction de γ’ ⇒ fonderie
Superalloys II
2 µm
Nimonic 105 (1960)
42
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
1940 1960 1980 2000
Année
T d
’en
trée
des
gaz
(°C
)
Superalliages pour aubes de turboréacteurs (6/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Supprimer les joints de grains ⊥ sollicitation
isoler le métal ?
solidification dirigée
Superalloys II
monocristaux (un seul grain)
Année d’introduction
Tm
axau
be
(°C
)
Williams, Starke, 2003
43
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
1940 1960 1980 2000
Année
T d
’en
trée
des
gaz
(°C
)
Superalliages pour aubes de turboréacteurs (7/7)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Interposer une barrière thermique entre l’aube et les gaz
accrochage d’une couche de céramique
Zircone
Métal
Oxydes mixtes
Zircone
Métal
Oxydes mixtes
1 µm
Tgaz> Tfusion de l’aube !
multiperforation : couche d’air « froid »
Superalloys II
44
Vitrocéramiques résistantes au choc thermique (1/3)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Choc thermique :
fort gradient thermique ⇒ dilatations différentielles
céramiques : élastiques ⇒ fortes contraintes ⇒ risque de rupture brutale
Cahier des charges :
très faible dilatation thermique
excellente résistance à la corrosion
réglage facile des propriétés par la composition chimique et le traitement thermique
Solution : vitrocéramiquesmise en forme = comme un verrepropriétés = celles d’une excellente céramique
produit de grande diffusion ⇒ peu cher mise en forme facile
bonne résistance mécanique petits grains
45
Vitrocéramiques résistantes au choc thermique (2/3)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
fusionmise enforme
germination
croissance
viscosité(poises)
temps
liquide / verre céramisation
mise en forme d’un verre, puis obtention d’une céramique fine
Y.M Chiang,D. Birnie III,W.D. Kingery,1997
46
Vitrocéramiques résistantes au choc thermique (3/3)
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Microstructure finale : céramique à grains fins
200 nm
supporte votre casserole, froide ou chaude, sans se briser !
Pour en savoir plus : séance 21 (PC) sur les traitements thermiques
Y.M Chiang,D. Birnie III,W.D. Kingery,1997
47
Conclusions
Introduction Microstructures - Echelles Caractérisation Ingénierie
Des microstructures :
infiniment variées à toutes les échelles d’observation
adaptées aux propriétés souhaitées
Des techniques de caractérisation
tout aussi variées
choisir les plus adaptées : gagner du temps et réduire les coûts
Quelques exemples... ... parmi bien d’autres !
d’autres exemples seront montrés au fil des cours suivants
du (beau) travail par et pour les ingénieurs !