Influence de la désorientation du joint de grains sur la ségrégation du Cr

Afin d’étudier l’influence de la désorientation ou de l’énergie des joints de grains sur le comportement de ces derniers vis-à-vis du Cr, une méthode originale est adoptée en s’intéressant tout particulièrement aux jonctions triples sur un matériau modèle non ODS obtenu par compaction isostatique à chaud. En effet, lorsque l’équilibre est atteint à la jonction triple, les énergies des 3 joints de grains satisfont, à l’équilibre thermodynamique, l'équation de Herring [10]:

γ1b1+ γ2b2+ γ3b3=0, (eq. 1)

Avec γ1, γ2 et γ3 les énergies des joints de grains 1, 2 et 3 et b1, b2, b3 les vecteurs unitaires dans le

plan de l'interface et perpendiculaire à à la ligne triple.

En développant cette équation, on obtient l'équation de Young suivante [10] : γ1 /sin (χ1) = γ2 /sin (χ2) = γ3 /sin (χ3) (eq. 2)

Avec χ1, χ2 et χ3 les angles entre les joints de grains ; ils sont appelés aussi angles dièdres.

Les figures 69a et 70a présentent deux types de jonctions triples présentes dans un acier non ODS Fe-18Cr vieilli à 450°C pendant 5000 heures. La figure 69a montre une micrographie MET d’une jonction triple avec des angles dièdres égaux (χ1 = χ2 = χ3 = 120°). De fait, le bilan d'énergie

correspondant à cette jonction triple s'écrit : γ1 = γ2 = γ3, les trois joints présentent donc des

énergies égales. Afin de savoir si l’énergie de ces joints est forte ou faible, les désorientations des trois joints de grains ont été mesurées à l’aide de la technique TKD puisque l’énergie d’un joint de grain dépend fortement de sa désorientation. Les résultats sont présentés sur la figure 69b : le joint de grains 1 est désorienté de 40° autour de l’axe [7-21], le joint de grains 2 est désorienté de 47° autour de [41-1], et le joint de grains 3 est désorienté de 6,2° autour de [1-7-2].

On peut considérer que les trois joints de grains correspondent à des joints de grains généraux puisqu’ils présentent pour les deux premiers des angles de rotation élevée autour d’axe d’indices

de Miller élevés. Le joint de grains 3 peut également être considéré comme un joint général en raison des indices de Miller élevés de son axe de rotation. On peut, de fait, faire l’approximation que ces trois joints présentent des énergies élevées. Des cartographies obtenues sur le seuil M du chrome et du fer ont été acquises pour cette jonction triple, et sont présentées respectivement sur les figures 69c et 69d. On peut clairement observer sur la carte de Cr un enrichissement continu en chrome au niveau des trois joints de grains. Par ailleurs, la cartographie de Fe montre une déplétion en fer aux trois joints de grains.

Figure 69 : Etude d’une jonction triple avec des angles dièdres égaux à 120° présente dans l’acier Fe-18Cr vieilli à 450°C pendant 5000 heures : a) micrographie MET, b) cartographie obtenue par TKD, c) cartographie réalisée en EFTEM du Cr et d) cartographie du Fe (EFTEM).

La deuxième jonction triple est illustrée sur la figure 70, contrairement à la première jonction, celle-ci présente des angles dièdres différents: χ1 est égal à 110° (Figure 70b). Conformément à la

relation de Young, l’énergie pour le joint de grains 1 est supérieure à l'énergie des joints de grains 2 et 3. L’équation relative est donc la suivante: γ1 > γ2 = γ3. L’analyse TKD

(a)

(b)

(c)

(d)

correspondante est présentée sur la figure 70b. La désorientation entre le grain 1 et le grain 2 correspond à une rotation de 11 ° autour de l’axe [-1-51], alors que la désorientation entre le grain 2 et le grain 3 correspond à une rotation de 6° autour de l’axe [12-2]. Enfin, la désorientation entre le grain 1 et le grain 3 correspond à une rotation de = 25° autour de l’axe [2-14]. Ces joints ne présentent pas un caractère spécial et semblent être des joints généraux d’énergie différente. L'analyse chimique (figures 70c et 70d) montre que le joint de grains 1, de plus forte énergie, présente un enrichissement continu en Cr (figure 70c), alors que les joints de grains 2 et 3 ne présentent qu'un enrichissement ponctuel ou discontinu en Cr. Ces enrichissements sont corrélés avec un appauvrissement en fer (figure 70d).

Figure 70: Etude d’une jonction triple avec des angles dièdres différents χ1 = 110° < 120°,

présente dans l’acier Fe-18Cr vieilli à 450°C pendant 5000 heures : a) micrographie MET, b) cartographie obtenue par TKD, c) cartographie réalisée en EFTEM du Cr et d) cartographie

(a)

_(b)

Grain 1 Grain 1

Grain 2 Grain 2

du Fe (EFTEM).

Grâce à cette étude de ségrégation aux jonctions triples sur matériaux modèles, nous savons qu’il existe bien une dépendance entre ségrégation de Cr et énergie des joints de grains. Bien que des statistiques supplémentaires soient nécessaires pour étayer la généralité des observations, on peut conclure que les deux cas présentés illustrent bien les modèles énergétiques utilisés pour les joints de grains. Nous nous proposons maintenant de transposer cette étude sur matériau obtenu par filage. Cette fois-ci, en raison des fortes sollicitations mécaniques subies par le matériau au cours du filage, l’approche simplifiée d’étude de ségrégation aux jonctions triples n’est plus possible. Nous avons donc recours à la diffraction par MET et aux TKD pour caractériser la nature des joints et la corréler à une éventuelle ségrégation de Cr.

Une analyse par diffraction au MET a donc été conduite sur un joint de grains (figure 71a) de la nuance renforcée Fe-18Cr-ODS filée vieillie à 450°C pendant 5000 heures. La désorientation du joint de grains est déterminée en utilisant la diffraction des deux grains adjacents (figure 71a), et elle est estimée à environ 22°. Ce joint est un joint de grain de flexion et peut donc être considéré comme présentant une désorientation moyenne et est de fait susceptible de présenter une plus faible énergie qu’un joint général. L’analyse chimique de ce joint de grains a été réalisée par EFTEM (figure 71c et d). La cartographie du Cr (présentée sur la figure 71c) indique la présence d’un liséré blanc, d’intensité relativement faible et discontinu, le long du joint de grains, correspondant à une ségrégation locale du Cr mais en faible quantité. Cette ségrégation de Cr est corrélée avec la déplétion en fer, comme l’illustre la figure 71d. De plus, nous observons une déplétion de Cr autour du joint de grains, suggérant un profil en W de la ségrégation.

Figure 71 : Etude d’un joint de grain présent dans un acier Fe-18Cr-ODS vieilli à 450°C pendant 5000 heures : a) micrographie MET illustrant le joint de grains de l’étude avec la diffraction des deux grains, b) cartographie réalisée en EFTEM du Cr et c) cartographie du Fe (EFTEM).

 Vieillissement à 500°C pendant 5000 heures

Fort des résultats obtenus à 450°C, des caractérisations en EFTEM ont été réalisées sur des joints de grains présents dans un acier modèle Fe-18Cr vieilli à 500°C pendant 5000 heures (figure 72). Sur l’échantillon analysé, deux joints de grains sont visibles (figure 72a). Les deux grains ont fait l’objet d’une analyse TKD afin de caractériser la nature des joints de grains les séparant. L’analyse TKD (figure 72b) montre que le joint de gains 1 est désorienté

de 6° autour de [-1-21], alors que le joint de grains 2 est désorienté de 26° autour de l’axe [-3 10 1]. En raison de la valeur des indices de Miller des axes et des angles de rotation, nous pouvons émettre l’hypothèse que le joint de grains 1 est de plus basse énergie que le joint de grains 2. Les cartographies obtenues sur le seuil du chrome pour les deux joints de grains sont présentées sur les figures 72c et 72d. Nous observons que le joint de grains 1 présente un liseré discontinu de Cr et en apparence de faible quantité alors que le joint de grains 2 présente un enrichissement en Cr plus important et continu. En observant de plus près la cartographie du chrome obtenue pour le joint de grains 2 (figure 72e), nous remarquons que l’enrichissement en Cr présente des oscillations de part et d’autres du joint de grains. Nous reviendrons sur ce point par la suite, avec notamment des études plus fines effectuées en sonde atomique tomographique. Nous retrouvons de fait des résultats identiques au vieillissement à 450°C où les joints de grains de plus faible énergie semblent moins s’enrichir en Cr que les joints de grains de plus forte énergie.

Des caractérisations similaires ont été réalisées sur un joint de grains de la nuance renforcée Fe-18Cr-ODS (filée) vieillie à 500°C pendant 5000 heures (figure 73). L’analyse TKD indique qu’il s’agit d’un joint de grains général fortement désorienté (figure 73b) et de fait, certainement d’énergie élevée. La cartographie du Cr (figure 73c) montre clairement un enrichissement en chrome au niveau du joint de grains. Cet enrichissement présente, de façon analogue au joint de grains 2 de l’alliage modèle Fe-18Cr (figure 72e), des oscillations de Cr de part et d’autre du plan du joint de grains (figure 73d).

Comme évoqué, ces oscillations en Cr sont intrigantes, nous avons de fait choisi de les étudier plus finement et en 3D en utilisant la sonde atomique tomographique.

Figure 72 : Caractérisation des joints de grains de l’acier Fe-18Cr vieilli à 500°C pendant 5000 heures, a) micrographie MET, b) analyse TKD, c) cartographie du chrome obtenue pour le joint de grains 1, d) cartographie du Cr pour le joint de grains 2, e) analyse chimique du joint de grains 2 à une échelle plus fine.

Figure 73 : Caractérisation d’un joint de grains présent dans l’acier Fe-18Cr-ODS vieilli à 500°C pendant 5000 heures, a) micrographie MET, b) Analyse TKD, c) cartographie du chrome obtenue pour le joint de grains, d) analyse chimique du joint de grains (Fe en vert et Cr en rouge).