Mécanismes d’amorçage

3.1.2.1 Rôle de la microstructure locale

Nous n’analyserons dans cette partie que l’amorçage des fissures. Les coupes montrant les mécanismes d’amorçage sont choisies de manière à correspondre aux directions où les vitesses de propagation sont maximales et où les prémisses de l’amorçage sont visibles. La figure 3.3 présente ainsi une coupe du plan 1 où il est possible d’observer l’amorçage de la première fissure détectable. Celle-ci correspond à la rupture d’une phase θ-Al2Cu (désignée par E1a) localisée à proximité de la cavité de retrait P1 lors de la première mise en charge. La rupture du ligament situé entre P1 et E1a (≈ 45 µm) conduit à la formation d’une première fissure F1 (figure 3.3). Si on ne prend pas en compte le pore initial, la longueur de F1 est alors de ≈ 120 µm. A cette échelle, nous considérons que la phase d’amorçage correspond à la formation d’une fissure de quelques dizaines de micromètres.

Une analyse similaire, réalisée sur le plan 2 de la figure 3.2b, est illustrée sur la figure 3.4. À proximité du pore P1, la phase riche en cuivre nommée E1b correspond à la particule identifiée sur la figure 3.3, sur une autre coupe, comme E1a. Dans cette nouvelle direction, une deuxième position du front de la fissure F1 est observée : la rupture de la particule E1a/E1b est à l’origine de l’amorçage. D’autres particules rompues sont aussi visibles en pointe de la fissure F1. Celles-ci ce sont rompues après la rupture de la particule d’Al2Cu E1a. Les grossissement des images 3.4a et b, encadrés en violet, montrent que cet endommagement a priori diffus correspond en fait à la présence de particules de silicium endommagées.

L’amorçage au niveau du pore P3 se produit après 5 cycles (figure 3.4b). Le mécanisme d’amorçage observé dans ce plan est similaire à celui qui a permis la formation de F1. La seconde fissure, nommée F2 (cadre vert de la figure 3.4b), s’est amorcée au niveau de la cavité de retrait P3. Sur l’image de l’état initial, une particule de silicium E1c (figure 3.4a) est déjà rompue. Après 5 cycles, les particules de silicium placées entre P3 et E1c sont endommagées (ruptures ou décohésions) et forment la fissure F2. La phase riche en cuivre (E2c), elle aussi située à proximité de P3, est aussi rompue en plusieurs sites (figure 3.4b). Les figures 3.3 et 3.4 permettent de mettre en évidence des mécanismes de micro-amorçages similaires : la rupture/décohésion d’une (ou plusieurs) particule (silicium ou Al2Cu) a lieu avant la formation d’une fissure. Ces ruptures sont par ailleurs exclusive-ment localisées au voisinage des pores les plus volumineux P1 et P3. Particules et pores semblent donc être deux ingrédients indissociables à l’amorçage de fissure.

Figure 3.3 – Coupes tomographiques dans le Plan 1 de la figure 3.2b à l’état initial (a) et après 1 cycle à charge maximale (b). Le sous-volume est placé sur le site où la première fissure s’est amorcée. Vue agrandie d’un détaille de la même image (X2).

3.1.2.2 Localisation des sites d’amorçage

Si l’analyse précédente met en évidence le rôle de la microstructure sur l’amorçage de fissure à une échelle relativement fine, elle n’offre toutefois pas une vision globale en trois dimensions des zones critiques. Un rendu 3D des pores et micro-fissures à l’état initial et à N=20 cycles est montré sur la figure 3.5. La zone reconstruite de l’éprouvette est observée en vue de dessus pour permettre une lecture plus claire des images. À l’examen

Figure 3.4 – Coupes tomographiques dans le Plan 2 de la figure 3.2b à l’état initial (a) et après 5 cycles à charge maximale (b). Les sous-volumes (X2) sont placés au niveau des sites d’amorçage.

de cette figure, il apparaît que, après 20 cycles, plusieurs fissures se sont formées au voisi-nage des pores P1 et P3 ; un endommagement diffus est aussi observable dans l’ensemble de l’éprouvette. Il correspond principalement à l’endommagement des particules de sili-cium. Contrairement aux fissures, cet endommagement diffus n’est pas seulement localisé à proximité des pores, mais dans toute la zone utile de l’éprouvette. Ces particules en-dommagées peuvent devenir un site d’amorçage pour de nouvelles fissures comme indiqué par les flèches rouges placées sur la figure 3.5b.

Figure 3.5 – Rendus 3D de l’intérieur de l’éprouvette montrant les pores et l’endomma-gement à l’état initial (a) et après 20 cycles (b).

3.1.2.3 Influence de la porosité locale

L’évolution de la fraction volumique locale de pore le long de l’axe longitudinal Z (tel que défini à la figure 3.2) a été estimée. Dans les plans orthogonaux à la direction de sollicitation (Z), les fractions surfaciques de pore sont calculées en faisant le rapport du nombre de pixels représentant les pores et du nombre de pixels contenus dans la coupe de l’éprouvette (matrice et pores inclus) [VAN 11]. Les résultats de cette quantification sont tracés en figure 3.6a. On constate que le long de l’axe Z, plusieurs pics de porosité sont visibles et correspondent aux zones où les plus gros pores sont localisés. En recoupant le graphique de la figure 3.6 et les résultats de la section 3.1.2.2, il apparaît que les sites d’amorçage des fissures F1 et F2 correspondent à la position des deux plus grands pics : la fissure F1 apparaît ainsi dans un plan où la porosité atteint 4 %.

La section de l’éprouvette n’étant pas constante le long de son axe longitudinal, la contrainte nominale évolue donc le long de la section utile comme le montre la courbe rouge de la figure 3.6b. Dans la section la plus petite, la contrainte nominale atteint 84 MPa. La présence des pores provoque des pics de contrainte locaux. Ainsi, le pore P3 induit un ∆(F/S) maximal de +1,5 MPa (soit +1,9 %) sur les coupes placées dans l’intervalle [-1000 ;-1500] µm, alors que l’augmentation de la fraction volumique locale de pore qui apparaît à une profondeur de l’ordre de 1800 µm provoque une variations de contrainte : ∆(F/S) de +3,5 MPa (+4,2 %). Ces variations de la contrainte, bien qu’assez faibles, permettent toutefois d’identifier les plans critiques, en gardant présent à l’esprit que la concentration de contrainte au voisinage immédiat des pores (où se produit effectivement

l’amorçage) doit être bien supérieure.

Figure 3.6 – Évolution coupe par coupe dans des plans perpendiculaires à l’axe Z de la porosité et de la contrainte nominale (ratio F/S). La profondeur correspond à la distance relative entre la surface haute de la figure 3.2a et la coupe analysée. La charge maximale expérimentalement appliquée est nommée F et la surface de matrice dans chaque coupe horizontale S.