3.2 Oxydation interne
3.2.2 Comportement en profondeur du manganèse, du silicium, de l'aluminium et du
Des pro ls SDL ont été réalisés sur les échantillons d'acier IFTi recuits à 550, 600, 650, 700, 750, 800 °C sans palier, 800 °C avec un palier de 30, 60, 120 et 320 secondes. La gure 3.32 représente l'évolution de la teneur massique en manganèse en fonction de la profondeur pour les essais réalisés pendant la chaue entre 550 et 800 °C, et la gure 3.33 représente la teneur massique en manganèse en fonction de la profondeur pour les essais réalisés sur le palier entre 0 à 320 secondes à 800 °C.
Les gures 3.34, 3.35 et 3.36 représentent les pro ls SDL du silicium (en teneur massique) et les pro ls des intensités des signaux de l'aluminium et du bore sur des échantillons recuits à 800 °C pendant 0, 60 et 320 secondes.
Dans les pro ls obtenus en SDL, puisque c'est l'espèce atomique (Mn ou Si notamment) qui est mesurée, la teneur massique correspond soit à Mn (respectivement Si) sous une forme oxydée, soit à Mn (respectivement Si) dans la matrice ferritique.
3.2.2.1 Comportement en profondeur de la teneur massique en manganèse de l'acier IFTi au cours du recuit
Sur les échantillons réalisés pendant la chaue ( gure 3.32), on remarque une nette diérence de comportement entre les gammes de températures [550-700 °C] et [750-800 °C]. Il semble même que les pro ls des échantillons chaués jusqu'à 700 °C soient similaires, donc qu'il n'y ait pas d'oxydation interne notable à ces températures. Apparaissent dès 750 °C, des variations caractéristiques des phé-nomènes de diusion interne décrits par Wagner [44], que l'on retrouve également sur les graphes de la gure 3.33. On observe un léger déplacement des courbes vers les profondeurs croissantes lorsque la durée du recuit augmente. La valeur minimale de la teneur massique en manganèse reste constante.
Figure 3.32 Évolution de la teneur massique de manganèse en fonction de la profondeur érodée pour les essais réalisés pendant la montée en température
La profondeur d'oxydation est dé nie au minimum du pro l de concentration et correspond à ξ(t) dé nie dans le chapitre 1, c'est-à-dire le lieu de précipitation des oxydes.
Le tableau 3.4 reporte les coordonnées de cette valeur minimale (teneur massique en manganèse minimale et profondeur correspondante) pour chacun des échantillons représentés sur les gures 3.32
Oxydation interne
entre 550 et 700 °C. S'agissant des échantillons recuits entre 600 et 700 °C, on observe une évolution de la profondeur d'oxydation entre 15 et 25 nanomètres, suggérant l'existence d'une légère oxydation interne. En ce qui concernent les recuits à 750 °C et à 800 °C, la profondeur d'oxydation, dé nie par Wagner, augmente de façon signi cative avec la température et la durée du palier. Les valeurs sont supérieures aux hauteurs maximales moyennes des particules d'oxydes (tableau 3.1).
En prenant le pro l du manganèse comme la référence pour le choix de la profondeur d'oxydation, la valeur ξ(t), obtenue pour le recuit à 800 °C pendant 60 secondes (P R = -40 °C), 151,5 nm, est légèrement supérieure aux valeurs obtenues par d'autres expérimentateurs [16,20,22,23,25], qui pré-sentent des valeurs de l'ordre de 40 nanomètres dans des conditions similaires ( gure 1.8 chapitre 1).
wM n minimale (%mass.) Profondeur ξ(t) (nm)
550 °C 0,20 0,8 600 °C 0,24 16,3 650 °C 0,19 15,6 700 °C 0,18 24,2 750 °C 0,09 57,7 800 °C 0,09 70,8 800 °C, 30 s 0,07 135,1 800 °C, 60 s 0,08 151,5 800 °C, 120 s 0,07 202,4 800 °C, 320 s 0,08 357,3
Tableau 3.4 Coordonnées du minimum (teneur massique en manganèse minimale, profondeur cor-respondante) des pro ls de concentration des gures 3.32 et 3.33 pour les diérents essais
Figure 3.33 Évolution de la teneur massique de manganèse en fonction de la profondeur érodée pour les essais réalisés sur le palier
3.2.2.2 Comportement en profondeur du silicium de l'acier IFTi au cours du recuit Les pro ls obtenus sur les échantillons recuits ( gure 3.34) évoluent vers les profondeurs crois-santes, ce qui est conforme aux observations précédentes. L'eet du phénomène d'oxydation interne dans l'acier recuit augmente donc avec la durée du palier. Le bruit de ces mesures rend di cile la localisation précise des coordonnées du minimum des pro ls de concentration. Pour l'essai à 800 °C pendant 320 secondes, on observe l'existence d'un pic d'une largeur de 200 nm, à une profondeur comprise entre 50 et 250 nanomètres, qui précède la valeur minimale du pro l et suggère la présence d'une zone enrichie en silicium sous la surface, sans doute sous forme oxydée.
Figure 3.34 Évolution de la teneur massique en silicium en fonction de la profondeur érodée pour les essais réalisés sur le palier (0, 60 et 320 secondes)
3.2.2.3 Comportement en profondeur de l'aluminium de l'acier IFTi au cours du recuit Le tableau 3.5 présente les coordonnées du minimum (intensité du signal d'aluminium minimale, profondeur correspondante) de chacune des trois courbes de la gure 3.35. On note que la profondeur d'oxydation augmente avec la durée du recuit. L'intensité du signal d'aluminium correspondante, est, elle, à peu près constante.
Cependant, alors que l'allure de la courbe obtenue sur l'échantillon recuit à 800 °C sans palier présente une évolution classique des phénomènes de diusion interne, les graphes correspondant aux deux autres essais (60, 320 secondes) mettent en évidence l'existence d'un pic, très marqué dans le cas du recuit le plus long (sa largeur s'étale sur une profondeur de 470 nm, entre 60 et 530 nanomètres de profondeur), et déjà observé sur la gure 3.16. Cette composante a une largeur d'environ 170 nm à une profondeur comprise entre 30 et 200 nanomètres, pour l'échantillon recuit à 800 °C pendant 60 secondes. Ce résultat a également été observé par Maki et al. [9]. Cette observation suggère la présence d'une zone enrichie en aluminium sous la surface, sans doute sous forme oxydée (Al2O3). 3.2.2.4 Comportement en profondeur du bore de l'acier IFTi au cours du recuit
Le comportement interne du bore au cours du recuit suit la même tendance que le manganèse, le silicium et l'aluminium avec une augmentation de la profondeur d'oxydation au cours du recuit.
Oxydation interne
Figure 3.35 Évolution de l'intensité du signal d'aluminum en fonction de la profondeur érodée pour les essais réalisés sur le palier (0, 60 et 320 secondes) et pour l'acier recuit à 800 °C pendant 60 secondes après un recuit préalable
I (Al) minimale (u. a.) Profondeur (nm)
800 °C 2,0.10−4 100
800 °C, 60 s 1,6.10−4 200
800 °C, 320 s 1,75.10−4 530
Tableau 3.5 Coordonnées du minimum des graphes de la gure 3.35 (Intensité du signal d'aluminium minimale, profondeur correspondante)
Figure 3.36 Évolution de l'intensité du signal du bore en fonction de la profondeur érodée pour les essais réalisés sur le palier (0, 60 et 320 secondes)
3.2.3 Récapitulation
La gure 3.37 présente les principaux résultats sur le comportement moyen de l'oxydation interne au cours du recuit obtenus grace à la SDL, qui a permis de récolter des informations élémentaires en profondeur. D'après les résultats de cette partie sur l'oxydation interne, les éléments d'alliage, manganèse, silicium, aluminium et bore, diusent vers la surface dès 750 °C. La précipitation des oxydes peut avoir lieu dans le c÷ur de l'acier jusqu'à la profondeur d'oxydation ξ(t) dé nie par Wagner [44], et met alors en jeu la diusion de l'oxygène dans le c÷ur de l'acier et la diusion des éléments d'alliage vers la surface. À des températures inférieures, la profondeur d'oxydation est faible, et les pro ls diusionnels sont très proches de la surface.
Dans le chapitre 5, nous pourrons accéder à des caractéristiques diusionnelles en modélisant ces pro ls de concentrations en profondeur.
Figure 3.37 Principaux résultats obtenus sur l'oxydation interne au cours du recuit
En ce qui concerne l'oxydation externe, on observe la présence de précipités aux joints de grains après un traitement thermique à 650 °C. Puis, à 700 °C, alors que la recristallisation commence, de nombreux germes naissent sur certains grains. À 750 °C, il y a des précipités sur tous les grains, la germination est terminée. Les mécanismes mis en jeu sont sans doute la diusion vers la surface des éléments d'alliage (manganèse, silicium, aluminium et bore) et éventuellement la diusion en surface de l'oxygène et de ces mêmes éléments, et la précipitation des oxydes à la surface de l'acier. On remarque la consommation des éléments dans les premiers nanomètres pour former des oxydes.
Ensuite, l'alimentation en éléments d'alliage vers la surface se poursuit, comme le montrent les pro ls SDL au cours du recuit. Il se produit également une diusion de l'oxygène dans l'acier et l'oxydation au front de précipitation à l'intérieur de l'acier. La teneur massique correspondant au front de précipitation est constante (d'après les résultats obtenus pour le manganèse et l'aluminium), et dépend de l'équilibre thermodynamique des oxydes.
En surface, la croissance est sans doute couplée au mûrissement d'Oswald. Certaines particules grandissent beaucoup, favorisées par un apport de matière (d'oxydes) important, tandis que d'autres restent petites, voire se dissolvent dans la matrice. La structure interne des précipités, révélée au MET, montre la présence de plusieurs grains d'oxydes à l'intérieur des précipités. Ces oxydes, mono-ou polycristallins, s'organisent pmono-our minimiser la tension de surface en une forme de calotte sphérique. Les deux modes d'oxydation (externe et interne) sont présents dans le cas de notre étude (800 °C, P R = -40 °C). Ceci est cohérent avec les résultats déjà publiés et présentés sur la gure 1.4 dans le chapitre 1.
Les résultats sur l'oxydation externe, notamment les caractéristiques géométriques, vont être maintenant traités de façon plus locale, c'est-à-dire en prenant en compte l'orientation de la surface sous-jacente, dans le chapitre 4.
Chapitre 4
Comportement intragranulaire du
phénomène d'oxydation
Dans le chapitre 3, nous avons observé une grande dispersion des caractéristiques géométriques des oxydes entre les grains d'un même échantillon. Cette dispersion est mise en évidence par l'écart-type élevé de ces caractéristiques géométriques (tableau 3.1). Dans cette partie, nous allons mesurer les dimensions géométriques des oxydes sur des grains de même orientation cristallographique. Dans un premier temps, nous nous intéresserons à la texture des matériaux étudiés, puis à l'oxydation sélective et aux paramètres géométriques de l'oxydation externe propres à chaque plan cristallin de la maille cubique centrée de la ferrite. En n, nous étudierons l'eet de la direction des grains, de leur taille et de l'avancement de la recristallisation de ces grains sur ces caractéristiques géométriques.