6.1.1 Caractérisation structurale
6.1.1.1 Densité
La majorité des échantillons 16ZTA dopés ou non présentent une densité relative supérieure à 98%. La Figure 119 révèle toutefois que certains échantillons présentent une densité relativement plus basse ce sont principalement des températures de frittage basses (<1500°C) qui donnent ces résultats.
Figure 119: Evolution de la densité relative en fonction de la taille des grains d’alumine et de la composition dans les 16ZTA.
6.1.1.2 Microstructure
La Figure 120 représente les différentes tailles de grains observées sur des 16ZTA non dopées, ou (co-)dopées Ca, Mg et/ou Si et obtenues pour différentes températures de frittage.
Les microstructures a, c, d et h représentées Figure 121 ne présentent quasiment aucun grains de zircone intragranulaire. Les structures sont fines avec des grains d’alumine entre 0,5 et 0,6µm et des grains de zircone entre 0,25 et 0,6µm. Ce sont presque des nano-nano-composites où les grains d’alumine et de zircone sont de taille similaire. La microstructure b présente des grains de zircone intergranulaires de petite taille et un peu de zircone intragranulaire.
Enfin les microstructures e, f et g de la Figure 121 présentent des gros grains de zircone, qu’ils soient inter- ou intra-granulaires. La microstructure présente des grains de zircone intergranulaire dont la taille est similaire à celle des grains d’alumine.
Il est important de remarquer que plus le nombre de dopants augmente, mais aussi plus le taux global de dopants augmente, plus la taille des grains de zircone augmente elle aussi. En effet, un dopage unique au Mg ou au Ca conduira à une structure intergranulaire avec des petits grains d’alumine et de zircone, tandis que l’utilisation conjointe de deux ou trois dopants conduit à une structure mixte inter/intra.
La question demeure ouverte sur l’utilisation de la silice seule qui n’a pas pu être expérimentée.
Figure 120: Evolution de la taille des grains de zircone en fonction de la taille des grains d’alumine en fonction du traitement thermique. Les microstructures de la Figure 121.
6.1.1.3 Distribution de la zircone
La Figure 122, représentant l’évolution du taux de phase monoclinique en fonction de la taille des grains de zircone inter- et intra-granulaires, montre que la taille des grains de zircone intragranulaire est du même ordre de grandeur que celle des grains de zircone intergranulaires. Tous les grains de zircone sont donc susceptibles de se transformer sous contrainte.
L’évolution de la taille des grains cependant semble différer selon leur localisation. L’évolution de la croissance des grains de zircone intragranulaires semble linéaire et limitée par la matrice d’alumine, et ce même après transformation (forts taux de phase monoclinique), alors que les grains de zircone intergranulaires semblent continuer à croitre aux fort taux de phase monoclinique. Ce phénomène semble logique avec le principe de coalescence des grains. En effet, les particules de zircone intragranulaire sont isolées les unes des autres et la diffusion des ions zirconium est limitée par la matrice d’alumine. Dans le cas des grains de zircone intergranulaires, les ions zirconium diffusent aisément le long des joints de grain.
Il est important de remarquer que la plus petite taille de grain de zircone intragranulaire obtenue, soit 0,5µm, est compatible avec la transformation de phase q-m. Ces composites seraient donc susceptibles, au vu des forts taux de phase monoclinique obtenus, de profiter à la fois d’un renforcement par transformation de phase de la zircone inter- et intra-granulaire, et d’un renforcement par contraintes internes pour les plus petites particules de zircone intragranulaires non transformées.
La phase des particules intragranulaires n’a pas pu être confirmée, mais une étude EBSD, ou encore une observation au microscope électronique des macles des grains de zircone lors d’un polissage fin (sans attaque thermique) permettraient de déterminer si elles ont subi une transformation q-m.
Figure 122: Taux de phase monoclinique en fonction de la moyenne des tailles de grain de zircone inter- et intra- granulaire.
6.1.2 Caractérisation mécanique
Les évolutions de la dureté Vickers et de KI0 représentés en fonction de la taille des grains d’alumine (et donc de la température de frittage, Figure 123 et Figure 124) sont similaires à celles vues précédemment.
Figure 123: Evolution de la dureté Vickers en fonction de la taille des grains d’alumine et de la température.
La dureté semble diminuer et KI0 augmenter avec la taille des grains d’alumine et donc avec la température de frittage.
Cependant, certains échantillons dont la température de frittage est supérieure à 1400°C présentent une diminution de la dureté (<1500Hv) et une contrainte seuil d’intensité élevée (>4MPam1/2). Ces échantillons sont susceptibles de bénéficier du renforcement par microfissuration, mais d’une chute de dureté due à la présence de microfissures.
Figure 124: Evolution du facteur d’intensité de contrainte seuil en fonction de la taille des grains d’alumine et de la température.
6.1.3 Les propriétés mécaniques et les principes de
renforcement
A partir des diffractogrammes obtenus par DRX, il est possible de mesurer les variations des paramètres de maille, et de les traduire en termes de déformation. La Figure 125 représente donc les déformations relevées le long des axes a et c de l’alumine, en fonction du taux de phase monoclinique des échantillons.
En pointillés sont représentées les évolutions des déformations supposées linéaires lorsque l’échantillon n’est pas microfissuré (il s’agit d’un guide pour l’œil, pas d’un calcul théorique).
On constate que les déformations selon l’axe a augmentent de manière non linéaire avec le taux de phase monoclinique : rapidement au début, puis de plus en plus lentement. Les déformations selon l’axe c suivent une évolution encore plus marquée : augmentation jusqu’à environ 50% de phase monoclinique, puis diminution jusqu’à presque s’annuler pour des taux de monoclinique proches de 90%. On peut expliquer ces deux évolutions par la compétition entre deux phénomènes : un accroissement des contraintes à cause de l’augmentation de volume due à la transformation q-m de la zircone, en parallèle à une relaxation des contraintes par microfissuration. Notons que les déformations relevées sont plus élevées selon l’axe a que selon l’axe c. La maille serait donc plus fragile selon c que selon a, et les grains plus aisés à fracturer parallèlement aux plans (0001).
Figure 125: Evolution de la déformation des paramètres de maille en fonction du taux de phase monoclinique. Les évolutions linéaire respectives des déformations appliquées aux paramètres de maille a et
c sont représentées par des droites pointillées noire et rouge. La zone 1 représente l’évolution linéaire de la déformation. La zone 2 représente la zone où la déformation stagne. La zone 3 correspond à une déformation plus importante traduisant la chute de la contrainte par rapport à l’évolution linéaire.