Le mercure

Le mercure est connu pour avoir un effet fragilisant sur un nombre important de m´etaux

solides, purs ou alli´es. Il est tr`es utilis´e dans les exp´eriences de FML en raison de son bas

point de fusion (environ −39^◦C) qui permet de r´ealiser les exp´eriences sur une large gamme

de temp´erature, et en particulier `a temp´erature ambiante.

Nous avons vu dans les deux parties pr´ec´edentes que le mercure est fragilisant pour le cuivre

et le laiton. Le mercure est ´egalement rapport´e comme fragilisant pour le zinc et ses alliages. Il

est rapport´e de tr`es importantes r´eductions de l’´elongation `a rupture du zinc test´e en pr´esence

de mercure liquide `a temp´erature ambiante ([51]). Un mode de rupture transgranulaire est

observ´e pour ce couple ([25]), bien que la p´en´etration intergranulaire du mercure ait ´et´e

observ´ee dans le zinc ([51]).

Le mercure est ´egalement connu pour fragiliser l’aluminium est les alliages d’aluminium ([39],

[37]). Dans ce cas, la propagation de fissure se fait de fa¸con intergranulaire.

Le mercure a ´egalement un effet fragilisant sur la plupart des aciers. Pour plus de d´etails sur

ce sujet, on pourra se r´ef´erer `a la th`ese de A. L. Medina Almaz´an ([1]).

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FML

La n´ecessit´e de cette partie exp´erimentale provient d’une litt´erature peu abondante sur

le syst`eme cuivre/mercure, ainsi que de certaines difficult´es `a faire converger les diverses

ob-servations exp´erimentales vers une unique conclusion. Cette premi`ere partie se compose de

deux chapitres, les chapitres 2 et 3 de ce document.

Le chapitre 2 est une ´etude quantitative de la fragilisation du cuivre pur par le mercure

liquide, ainsi que par deux alliages mercure/bismuth et mercure/sodium. Au cours de ce

chapitre, nous pr´esentons des exp´eriences de fragilisation r´ealis´ees sur des ´eprouvettes de

type CT, afin de d´eterminer la r´esistance `a la rupture du mat´eriau, test´e sous diff´erentes

conditions. Ces mesures de r´esistance `a la rupture permettent de quantifier l’effet fragilisant

du mercure et des deux alliages sur le cuivre, qui par ailleurs est largement favoris´e par la

g´eom´etrie des ´eprouvettes.

Le chapitre 3 est une ´etude de l’influence de la microstructure du cuivre sur la fragilisation par

le mercure liquide. Plus particuli`erement, nous ´etudions le rˆole des joints de grains sp´eciaux

Σ3 (ou joints de macles), par l’utilisation de traitements d’ing´enierie des joints de grains qui

permettent d’augmenter significativement leur proportion.

S’il est vrai que le ph´enom`ene de fragilisation peut apparaˆıtre de fa¸con totalement inattendue

(et dangereuse) dans certaines situations, il n’est pour autant pas n´ecessairement ´evident de

le provoquer dans des conditions bien sp´ecifiques, compte-tenu de la quantit´e importante de

param`etres influents sur son occurrence.

D’un point de vue exp´erimental, le couple cuivre/mercure est un syst`eme id´eal pour l’´etude

de la fragilisation par les m´etaux liquides :

1. le mercure est le seul m´etal liquide `a temp´erature ambiante, et jusqu’`a environ−39^◦C

([1], [2]). Cela permet de r´ealiser des exp´eriences de FML sans l’ajout d’un dispositif de

chauffage, simplifiant la mise en place ;

2. tr`es faible dissolution du cuivre dans le mercure `a temp´erature ambiante (diagramme de

phase sur la figure 1.15 et [3]). La pr´e-saturation du mercure par du cuivre n’est donc

pas n´ecessaire ;

3. mouillage total du cuivre par le mercure ;

4. une seule phase interm´etallique, stable jusqu’`a 128^◦C (diagramme de phase 1.15), non

bloquante pour le mouillage grˆace `a sa cin´etique de formation lente. Bien qu’aucune

´etude n’ai pu ˆetre trouv´ee sur ce sujet, l’exp´erience nous a montr´e qu’au cours d’une

exp´erience de fragilisation du cuivre par le mercure, le mercure liquide est toujours

pr´esent en pointe de fissure et permet la propagation de la fissure fragile. La phase

interm´etallique n’a donc pas le temps de se former avant que la fissure ne se propage.

Cependant, l’observation post-mortem des faci`es de rupture montre que les faci`es de

cuivre expos´es pendant plusieurs minutes au mercure liquide sont recouverts par la

phase cuivre/mercure.

La nature cristallographique de cette phase n’a pas ´et´e `a ce jour d´etermin´ee avec

certitude. Il existe mˆeme un d´ebat sur sa stœchiom´etrie, probablement de l’ordre de

Cu14Hg12 ouCu15Hg11 ([5], [6], [7]).

Cependant, d’un point de vue pratique, ce syst`eme comporte ´egalement quelques inconv´enients,

`

a commencer par la nature toxique du mercure (class´e comme CMR,Canc´erig`ene, Mutag`ene

et Reprotoxique), et qui rend n´ecessaire l’adoption de certaines pr´ecautions de manipulations.

N´eanmoins, la manipulation sous hotte aspirante ainsi que l’utilisation de gants suffisent.

Par ailleurs, les tr`es faibles propri´et´es m´ecaniques du cuivre rendent sa mise en forme

(confection d’´eprouvettes) et sa manipulation (mise en place dans des mors, pr´eparations

d’´echantillons minces, polissage, d´esenrobage,...) parfois d´elicates.

Les deux chapitres de cette partie exp´erimentale permettent de clairement mettre en ´evidence

certaines tendances. Le but de la partie suivante, la partiecalculs num´eriques, sera de v´erifier

si le calcul ab-initio permet de retrouver ou non ces tendances, et de leur fournir une

expli-cation.

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Dans le document Fragilisation du cuivre par le mercure liquide : étude expérimentale et numérique (Page 40-48)