Microscopie Electronique en Transmission

Le Microscope Electronique en Transmission (MET) permet d'observer un échantillon (lame mince) en le plaçant sous un faisceau d'électrons accélérés. Cet outil de caractérisation est indispensable, de par les résolutions qu'il permet d'atteindre, pour déterminer des tailles de grains fines, observer entre autres des précipités nanométriques, des dislocations, etc. Les microscopes utilisés dans cette étude, JEOL 2010 (FEG et LaB6), JEOL 2100 et PHILIPS EM430, ont des tensions d'accélération

respectives de 200 kV pour les deux premiers et 300 kV pour le dernier.

Les différentes méthodes d’analyses des images MET qui permettent d’évaluer des densités de précipités, de dislocations nécessitent la connaissance de l’épaisseur de la zone de travail. Pour ce faire, la méthode dite de perte d’énergie (Energy Electron Loss Spectroscopy – EELS) est utilisée. Elle tient compte des interactions entre les électrons de la matière et ceux générés par le microscope. Plus les épaisseurs traversées par les électrons émis seront importantes, plus les pertes en énergie le seront aussi. On peut donc aisément accéder à ces grandeurs.

Le mode Scanning Transmission Electron Microscopy couplée à de l’Energy Dispersive X-ray Spectroscopy STEM/EDX, qui correspond au mode balayage du microscope électronique en transmission a été utilisé dans le but de réaliser des analyses chimiques sur les différents matériaux. La taille de la sonde étant assez fine (0,5nm), elle permet une analyse chimique relativement locale de la précipitation.

169 Préparation des lames minces

Pour ce travail, deux types de lames minces ont été préparés : l’un pour le MET conventionnel, et l’autre pour les essais de traction en MET in situ. Dans le premier cas, il s’agit de disques de 3 mm de diamètre, alors que dans le second, les lames sont des rectangles de 3 mm de long pour 1 mm de large, voir Figure 2.1.

La méthode de préparation des lames minces est la suivante : l'échantillon est collé à l'aide d’une cire sur un support métallique puis il est poli mécaniquement avec du papier abrasif, de granulométrie allant de 300 à 1200, sur les deux faces jusqu'à ce que l'échantillon ait une épaisseur inférieure à 100 µm. La lame ainsi obtenue est ensuite poinçonnée pour obtenir des disques de 3 mm de diamètre. Elle subit ensuite une attaque électrochimique dans une solution contenant soit : 70% d'éthanol, 20% d'éther monobutylique d'éthylène glycol et 10% d'acide perchlorique (pour une température de bain de 0°C), soit 90% d’éthanol pour 10% d’acide perchlorique (pour une température de bain de -10°C). L'appareil utilisé est un Tenupol Struers à jets, et les conditions d'utilisations retenues pour ce matériau sont une tension de 30 V pour une intensité de 170 mA. Le polissage électrochimique se poursuit jusqu'à obtention d'un trou dans l'échantillon, sa détection est automatique et entraine l'arrêt du polissage grâce à une cellule photosensible. Pour les lames de traction en MET in situ, les protocoles d'amincissement et de perçage sont les mêmes si ce n'est que l'on cherche à obtenir des lames très fines, avec des épaisseurs d'environ 50 µm, voire même moins si possible. En revanche, ces lames ne sont plus poinçonnées puisqu'il s'agit de lames rectangulaires, de 3x1 mm². Elles sont découpées au moyen d'une scie à fil ESCIL pourvue d’un fil diamanté de 0,3 mm de diamètre.

Qu'elles soient destinées à des observations conventionnelles ou à de la traction en MET in situ, les lames minces ont été prélevées dans deux sens différents : le sens longitudinal (dans le sens de filage), et le sens transverse (perpendiculairement au sens de filage).

Les matériaux ODS étant très durs et ferromagnétiques, les échantillons de traction rectangulaire qui étaient collés ont compliqué les observations. C’est pourquoi des éprouvettes usinées ont également été utilisées (voir plan Figure 2.2).

Figure 2.1 : Photographie des différentes lames minces utilisées (a) lame mince conventionnelle, (b) lame rectangulaire de traction in situ, (c) mini-éprouvette de traction MET in situ usinée

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Figure 2.2 : Eprouvette pour essais de traction en MET in situ

Répliques extractives

La précipitation étant une des caractéristiques importantes de ces alliages ODS, afin de faciliter sa caractérisation, des répliques extractives ont été réalisées. Il s'agit là de dissoudre la matrice et de récupérer les précipités sur un fin film de carbone. L'intérêt de cette technique est double : premièrement, la matrice étant dissoute, on s'affranchit de l'influence de celle-ci, en particulier de son ferromagnétisme qui rend difficile la perception des plus petits oxydes. Le second avantage est que l'analyse chimique des précipités est facilitée puisque le faible signal analysé provenant des précipités n’est plus perturbé par celui de la matrice.

Le protocole de préparation de répliques extractives est basé sur des données préexistantes [44], mais a été optimisé durant cette étude pour les aciers ODS à 14% Cr. Un morceau de métal massif est poli mécaniquement sur papier SiC jusqu'à une granulométrie 4000, puis à la pâte diamantée jusqu'à 0,25 µm afin d’obtenir un poli miroir, avec une surface ayant le moins de défauts possible. Ensuite, l'échantillon est attaqué électrochimiquement dans une solution composée de 10 g de tétraméthylamonium, 100 mL d'acétyle acétone et 900 mL de méthanol. L'attaque dure environ 5 minutes sous une tension de 5 volts, la solution se teinte alors en jaune-orange et la surface de l'échantillon est uniformément attaquée. Un schéma de l'installation est proposé ci-dessous (Figure 2.3). Dans notre cas, dans le but d'améliorer le contact et donc le passage du courant entre l'échantillon et la solution, nous l'avons foré, fileté le trou pour y visser une vis par laquelle nous avons immergé le métal dans le bain d'attaque. Enfin, pour éviter toute infiltration de solution ou une attaque préférentielle au niveau de la vis, nous avons recouvert cette zone d'un vernis (Lacomite).

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Figure 2.3 : Schéma du montage utilisé pour l’attaque électrochimique

Lors de cette étape, il n'y a attaque que de la matrice car les précipités sont normalement inertes vis- à-vis de ce bain.

Après cette étape d'attaque, un fin film de carbone est déposé par évaporation sous vide sur la surface qui a été attaquée. Cette surface est ensuite quadrillée à l'aide d'un cutter ou scalpel, les carrés faisant environ 2x2 mm² maximum. Ensuite, en suivant le même protocole d'installation que pour l'attaque électrochimique, l'échantillon est plongé dans la même solution. Pour les aciers ODS, la tension de dissolution requise est de 2-3 V. Cette étape est plus lente que la phase d'attaque, et après 40 minutes, les petits carrés sont en suspension dans le bain. On les récupère un par un au moyen de doubles grilles de cuivre. On les rince pendant 5 minutes dans un premier bain d'éthanol, puis 15 minutes dans un second bain d'éthanol. Chacune des répliques est récupérée dans une grille de cuivre et séchée avec le plus grand soin, en prenant garde de ne pas mettre directement le film de carbone en contact avec le papier absorbant (ou papier filtre) car cela pourrait le détruire (par capillarité).

Le schéma ci-dessous (Figure 2.4) résume et illustre les différentes actions de chacune des étapes successives sur la surface de l'échantillon à savoir l’état de surface après le polissage mécanique (poli miroir), puis après l’attaque électrochimique, après dépôt de carbone et enfin la réplique après dissolution.

Figure 2.4 : Schéma de préparation d'une réplique extractive (a) état de surface après polissage mécanique (b) état de surface après attaque électrochimique (c) dépôt de carbone par évaporation (d) réplique après dissolution

172 Observation de la déformation in situ

Les observations de la déformation in situ dans un MET ont été réalisées au Centre d’Elaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (CEMES, Toulouse), sur un MET Jeol 2010.

Le porte objet utilisé pour les observations de traction in situ diffère quelque peu de celui utilisé en microscopie électronique en transmission conventionnelle. Le schéma du porte objet est présenté sur la Figure 2.5 ci-après.

L’utilisation des rectangles comme éprouvette de traction in situ implique l’utilisation de colle Araldite à température ambiante ou de ciment pour les observations au-delà de 300°C pour fixer l’échantillon dans les mors du porte-objet.

Figure 2.5 : Schéma du porte-échantillon traction chauffant

II.3. Autres techniques