Microstructure des matériaux non organiques

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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 ?

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Les éléments de la microstructure


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


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


Année

Ep

aiss

eur

max

. réa

lisab

le (

cm)

Comment obtenir des verres métalliques « massifs »?

J.F. Löffler,2003

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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

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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

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diagramme d’équilibre

L

ααααββββγγγγ

γ + βγ + βγ + βγ + βα + γα + γα + γα + γ




diagramme d’équilibre diagramme métastable : eutectique

bas point de fusion : forte énergie d’interface


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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)


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courbe Tg = f(composition)courbes T0 pour chaque phase

vitrifier avant d’atteindre T0

Tg = f(compo.)αααα ββββ

L

αααα ββββ

L

V


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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


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

⇒

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Solution solide (9/9) : défauts ponctuels


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


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Quelques exemples de tomographie 3D

108 mm400 µmbéton

http://ciks.cbt.nist.gov/~garbocz/ J.S. Blazy, KU Leuven, 2002

mousse Al


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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



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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)


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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...


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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


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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


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Porosité (3/3)

H.G. Parks, H.J. Parks,R. Stevens, 2004

Quelques exemples de matériaux poreux frittés


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

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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

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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

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Caractérisation morphologique : imagerie et analyse d’images

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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)

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Caractérisation chimique et identification de phases

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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 ?

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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...)

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Ingénierie des microstructures


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

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Aciers pour la « caisse en blanc » automobile (1/7)


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

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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

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Une large gamme de produits

(super-emboutissables)

(emboutissables)

(TRIP)

(haute limited’élasticité)

(très haute résistance)


(emboutissables)

(TRIP)



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

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(emboutissables)

(TRIP)




(emboutissables)

(TRIP)



ouvrants pièces de structureAmélioration du compromis

résistance/ductilité

HLE

DPcommercialisés

TRIPen phase d’industrialisation

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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

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Composition chimique

éviter les carburesaptitude au revêtement par Zn

duretéduretéstabilité de la phase haute T (austénite)

duretéstabilité de la phase haute T (austénite)soudabilité

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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

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Superalliages pour aubes de turboréacteurs (1/7)


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

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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

39



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



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

)



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

)



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

)



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

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Vitrocéramiques résistantes au choc thermique (1/3)


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

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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

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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

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Conclusions


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 !

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