Observations microscopiques

Afin d’expliquer synthétiquement nos positions sur les mécanismes d’endommagements, nous nous focaliserons ici sur les observations faites sur aciers austénitiques (notamment sur le C850 et C1000). Nous présenterons les observations de la surface des endommagements avant d’en présenter les observations en coupe. On récapitulera ensuite le tout avant de proposer un modèle des mécanismes d’endommagement.

4.2.a. Observation de surface

Quel que soit l’alliage, aucun défaut n’est visible en dessous de 2 000 impacts. A partir de 20 000 impacts sur C850, l’essai semble entrainer une légère rugosité de la surface. Avec un grossissement important, on distingue dès 24 000 impacts un endommagement privilégié des joints de grains et un arrachement des grains en surface (rupture et/ou déchaussement) (Figure 28).

Figure 28 : Observation de surface sur C850 par microscopie optique avant(a) et après (b) essai à 24 000 impacts. Les grains de surface sont décorés et on constate les premières pertes de matière.

Les grains de la surface sont arrachés progressivement et laissent petit à petit apparaitre un faciès disparate (voir Figure 29).

Figure 29 : Observation de l'endommagement sur C850 obtenu après 200 000 impacts. Les images ont été prises en périphérie (a) et au milieu de l'endommagement (b). On reconnait les grains de la surface à leur morphologie caractéristique (décoration des grains). La comparaison des 2 photographies permet d’appréhender l’arrachement progressif des grains de la première couche granulaire. [MEB x4300]

a. b.

a. b.

20 µm ^{20 µm}

A partir de 200 000 impacts, on observe sur les aciers inoxydables un endommagement au faciès particulier car plus lisse et de taille conséquente. Sa largeur est de l’ordre de la dizaine de micromètres et on observe une série de stries et de rivières plus ou moins nettes et régulières, caractéristiques des endommagements de fatigue (voir Figure 30). Ce faciès de fatigue est présent tant en périphérie qu’au cœur de la zone endommagée.

Figure 30 : Faciès d'endommagement observés sur C850 après 200 000 impacts par MEB x4300. A gauche, deux faciès de fatigue s’enchainent (a).

Enfin, à partir d’un million d’impacts, on trouve de plus en plus fréquemment des enchaînements de ce type de défauts de fatigue (Figure 31). De fait, on arrive à dessiner plus ou moins précisément un chemin de propagation en identifiant les sites d’initiations des défauts.

Figure 31 : Défauts de fatigue observés sur C850 (a) et C1000 (b). Les défauts sont nombreux et les faciès (front de propagation, sites d’initiation, rivières) permettent d’identifier l’ordre de développement.

Pour conclure, l’observation de la surface au MEB des échantillons soumis aux essais PJET nous a permis d’observer des creux et des cavités dans les zones fortement érodées. Une étude à plus fort grossissement nous a permis d’identifier deux types de faciès d’endommagement :

Dans le premier cas, on observe une surface rugueuse et chaotique qui pourrait résulter d’une usure sub-micrométrique. Cette usure s’expliquerait essentiellement par la déformation plastique et expliquerait notamment l’altération des faciès des défauts avec les impacts. La Figure 32 donne l’exemple de l’usure de grains de surface.

a. b.

a.

b.

20 µm 20 µm

Dans le second cas, on observe la formation de surfaces plus régulières qui présentent toutefois des stries. Ce deuxième type de faciès corresponds mécanisme résulte d’un phénomène de fatigue lié à l’impact des gouttes d’eau.

Enfin, concernant les échantillons traités en surface (C850TTS et C1000TTS), nous avons constaté que l’initiation est plus rapide car les grains de la surface sont arrachés plus rapidement. Une fois l’initiation réalisée, plus rien ne distingue les aciers traités et non traités.

Figure 32 : Les trois photos mettent en avant le phénomène de dégradation progressif avec comme exemple l’usure de grains de la surface : Après une première phase d’érosion, les grains de surface indemnes sont identifiables par rapport au faciès des zones érodées autour d’eux. On observe d’ailleurs des fissures débouchantes en périphérie (a) ; Après une série d’impacts supplémentaires, les grains présentent des fissures, des porosités et des pertes de matière (b) ; Enfin, l’érosion se poursuit jusqu’à ce que seules la topographie et les fissures en fond d’entailles en périphérie ne laissent supposer qu’il s’agit d’un ancien grain de la surface (c).

4.2.b. Observation en coupe

L’observation en coupe doit toujours être assujettie à une certaine prudence car le profil observé dépend fortement de la zone mise en évidence par le polissage. D’autre part, certains défauts visibles peuvent résulter de phénomènes de relief difficilement appréhensibles en coupe.

Toutefois, dès l’initiation des premiers endommagements (10000 et 50000 impacts), on peut constater une gravure des joints de grains et le déchaussement de grains (Figure 33). Il est difficile de statuer à ce niveau sur la prépondérance du mécanisme entre la rupture par cisaillement et le déchaussement car les fissures mises en évidence peuvent être intra ou intergranulaire.

Avec le nombre d’impacts croissant, les dommages s’amplifient tant par leurs fréquences que par leur amplitude. Passée la première couche granulaire, les fissures ne sont plus qu’intra-granulaires (Figure 33).

5µm 5µm

5µm

Figure 33 : C850TTS, après 50 000 impacts (a) et 200 000 impacts (b). Alors que les fissures sont initialement inter-granulaires, dès lors que l’endommagement est initié et qu’une première couche de matière a été arrachée, les fissures deviennent purement intra-granulaires.

Les observations au MEB-FEG après polissage ionique nous laissent entrevoir la perte de défaut suite à la propagation des fissures dans le matériau (Figure 34). Les fissures sont intra-granulaires, et on observe une propagation en deux temps avec une ou deux fissures qui se dirigent en profondeurs, puis la rupture qui se dirige parallèlement à la surface.

Figure 34 : Les deux défauts ont été observés sur C850 à 200 000 impacts par MEB-FEG. La perte de matière résultera clairement ici du développement de plusieurs fissures.

L’observation au MEB-FEG a permis d’entrevoir également des fissures débouchantes et sous-jacentes qui n’étaient pas forcément visibles au microscope optique (Figure 35).

Fissures intra-granulaires Site d’excavation Fissures inter-granulaires 1 1 1 2

a. b.

a. b.

Figure 35 : Les deux défauts ont été observés sur le même échantillon de C850 à 1 million d’impacts par MEB-FEG. On retrouve encore une fois les fissures initiées en surface qui se propage en profondeur avant de se réorienter parallèlement à la surface. Sur l’image de droite, le jeu de fissures non débouchantes en coupe met en évidence que le réseau de fissures peut être profond et complexe.

La réorientation des fissures ou l’apparition des fissures parallèles à la surface peut correspondre à l’influence du maximum de contraintes de cisaillement qui se trouverait sous la surface selon la théorie des pressions de Hertz. Le chapitre 3, dédié à la modélisation de l’impact d’une goutte d’eau, étudie la localisation des contraintes maximales dans le feuillet.

Enfin, les observations en coupe permettent d’observation les fissures qui se propagent en fond d’entailles (voir Figure 36).

Fissures non débouchantes

a. b.

Figure 36 : Observations sur 850 par microscope optique (a) et par MEB-FEG (b). Des fissures intra-granulaires sont souvent observables en fond d’entaille de défauts existant en surface.