Les analyses dilatométriques préliminaires, en plus de révéler les températures des transformations monoclinique → quadratique et inverse de la zircone pour les différents matériaux de l’étude, montrent une augmentation du coefficient de dilatation macroscopique avec la teneur en yttrium. Aussi, les différentiels de dilatation thermique qui s’exercent au sein de ces matériaux ne sont pas supposés égaux. Reprenant les avancées du précédent programme de recherche, l’existence d’un phénomène de fissuration sous critique est investiguée et confirmée à température ambiante. Comparable à un mécanisme de corrosion sous contrainte, ce phénomène aboutit, en présence d’eau, à la relaxation par propagation de fissures des contraintes internes générées par ces différentiels. Il semble néanmoins se limiter en peau, comme en témoigne les modifications de coloration après cycle thermique ; s’il est très endommageant à l’échelle de l’éprouvette, il doit avoir un impact plus modéré à l’échelle du bloc électrofondu. Ces observations sont confortées par les essais en résonance de barreau. Les cycles d’hystérésis décrits en température par le module élastique des matériaux mettent en lumière l’endommagement consécutif à la recuisson ainsi que les possibilités de restauration des propriétés offertes lors d’un cycle thermique. Ces dernières se trouvent contrôlées à haute température par la viscosité des phases vitreuses, permettant une accommodation des défauts, et à plus basse température par les différentiels de dilatation qui s’exercent entre le squelette de zircone et la phase silicatée. L’endommagement plus réduit constaté pour le matériau ZB après retour à l’ambiante semble indiquer une meilleur adéquation dilatationnelle entre ces deux phases, alors même que les différentiels assurent la fermeture des fissures au chauffage ; s’opposant à la chute intrinsèque de module élastique au chauffage, ce mécanisme conduit à la stabilisation du module élastique sur la gamme (500°C – 800°C). Par ailleurs, aucun impact de la transformation monoclinique → quadratique n’est révélée.
Les propriétés mécaniques à la rupture de matériaux ZB et ZBY1 ont été évaluées en compression ainsi qu’en flexion quatre points. Les résultats montrent des évolutions similaires en température pour ces deux matériaux. La dissymétrie de comportement traction – compression est également mise en évidence par la comparaison des modules élastiques et des contraintes à ruptures, respectivement deux et dix fois plus faibles en flexion. Aux températures basses et intermédiaires, la restauration des propriétés mécaniques est retrouvée. Très marquée à 800°C, température pour laquelle un rétablissement du comportement élastique linéaire est observé, cette restauration trouve son origine dans la fermeture de fissures et le développement de contraintes internes de compression s’opposant aux contraintes de traction appliquées. Aussi, entre 800°C et 1200°C, une transition d’un comportement fragile à un comportement ductile est constatée. Cette transition s’effectue en deux étapes : augmentation de l’allongement ultime entre 800°C et 1000°C puis diminution importante de la contrainte à rupture entre 1000°C et 1200°C. Cela conforte l’hypothèse de la prépondérance du rôle de la phase vitreuse dans le comportement macroscopique des matériaux, cette transition s’opérant sur la même plage de température pour les matériaux ZB et ZBY1 alors que la transformation de phase monoclinique → quadratique de la zircone intervient à des températures différentes. Au refroidissement, en dépit d’une guérison marquée par une augmentation des propriétés mécaniques, un endommagement est souligné par les valeurs de module élastique et d’allongement à rupture qui restent plus faibles qu’au chauffage. Par ailleurs, les valeurs plus faibles observées pour le matériau ZBY1 témoignent d’une plus forte viscosité de sa phase vitreuse à haute température et de différentiels de dilatation thermique avec le squelette de zircone plus importants en dessous de la température de transition vitreuse.
Les observations fractographiques menées sur les faciès de rupture des échantillons de flexion confirment le rôle prépondérant de la phase vitreuse sur la résistance des matériaux. Les deux comportements décrits précédemment, fragile et ductile, s’expliquent en effet par l’évolution des propriétés rhéologiques de la phase silicatée. Dès 1000°C, la baisse de sa viscosité pour le matériau ZB conduit à une décohésion sans rupture d’une large majorité des dendrites de zircone ; seules celles qui participent à la continuité du squelette se retrouvent sollicitées mécaniquement, ce qui entraîne la chute brutale du module élastique et de la contrainte à rupture. A 1200°C, ce phénomène s’intensifie pour le matériau ZB alors qu’il apparaît pour le matériau ZBY1. L’hypothèse selon laquelle la viscosité de la phase vitreuse de ce dernier reste plus élevée à haute température est ainsi vérifiée. A plus basse température, la rupture fragile intervient préférentiellement au droit de défauts tels que porosités ou amas de phase vitreuse. Aussi, afin de préciser les mécanismes identifiés, l’étude nécessite d’être poursuivie à une échelle plus fine, celle de la dendrite de zircone. L’origine de la microfissuration sous sollicitation thermique et le développement de différentiels de dilatation feront l’objet d’un examen au chapitre suivant.
Chapitre 4
Etude de la microfissuration par
EBSD et DRX
- Chapitre 4 -
Etude de la microfissuration par EBSD et DRX – Corrélation entre
l’endommagement et l’arrangement des domaines cristallographiques.
Les résultats discutés dans ce chapitre visent à préciser, par une étude de la microstructure, les mécanismes conduisant à l’endommagement des réfractaires électrofondus par microfissuration. Alors que les incidences de cet endommagement ont été mises en évidence et évaluées à l’échelle macroscopique dans le chapitre précédent, il s’agit ici de se placer à une échelle locale microscopique, celle des domaines cristallographiques.Les expérimentations préliminaires, nous ayant menés sur la piste d’une origine cristallographique de l’endommagement, sont développées dans la première partie. L’imagerie des électrons rétrodiffusés est sans conteste le point de départ de notre réflexion. L’application de cette technique conduit à l’observation d’une fissuration aux frontières des domaines cristallographiques. L’hypothèse de la coexistence à basse température de zircone monoclinique et quadratique, entrainant le développement de contraintes internes par différentiel de dilatation entre les deux phases, est investiguée.
Dans la deuxième partie, les structures cristallines des zircones monocliniques et quadratiques contenues dans les différents matériaux sont précisément déterminées. L’évaluation des paramètres de mailles de ces structures en température, par diffraction des rayons X et affinement de Rietveld, permet le calcul des coefficients de dilatation à l’échelle de la maille cristalline. L’extrapolation de ces paramètres aux températures de transition de la zircone permet l’évaluation des variations de volumes correspondantes.
Enfin, les cartographies EBSD réalisées sur trois des matériaux de l’étude (ZB, ZBY1 et ZBY7) permettent de reconstituer l’histoire de la microfissuration. A partir des domaines cristallographiques à température ambiante, les domaines parents quadratiques et cubiques sont reconstruits. Dans ce domaine, les résultats du logiciel ARPGE [CAY 07a] sont confortés par la correspondance des figures de pôles expérimentales et simulées. Au regard de ces constations, la prédisposition des matériaux à la microfissuration est comparée et discutée.