Depuis plus de 15 ans, l’endommagement et la déformation des matériaux provoquant des modifications, notamment topographiques, de leur surface, sont étudiés par des analyses AFM. C’est la déformation plastique des matériaux polymères, difficilement observable par MEB ou MET, qui a été initialement étudiée par AFM, puis plus tard celle des verres, puis des céramiques et des alliages métalliques.
La déformation plastique, c’est-à-dire irréversible, d’un alliage métallique s’explique par le mouvement des dislocations qui, sous sollicitation mécanique, vont se multiplier, interagir et se déplacer. Ces phénomènes, qui ont lieu au cœur du matériau, ont des répercussions sur la surface de celui-ci : l’apparition d’un relief. Dans le cas d’un matériau sollicité en traction monotone, la sortie des dislocations au niveau de la surface libre provoque la formation de bandes (ou lignes) de glissement (Figure 7 a)).
Figure 7 : évolution de la surface due à une déformation plastique monotone (à gauche) et cyclique (à droite)
Sous sollicitation cyclique, le relief, moins régulier, est formé de bosses, souvent accompagnées de vallées très étroites. On parle alors d’extrusion-intrusion (Figure 7 b)).
Les bandes de glissement et les extrusions sont donc les marques visibles à la surface de la déformation plastique du matériau. De plus, elles forment des irrégularités de surface qui sont soumises à des contraintes beaucoup plus élevées en comparaison des zones de surface plus lisses. Elles sont ainsi, notamment sous sollicitation cyclique, des sites préférentiels d’amorçage des fissures. De plus, dans le cas d’environnement agressif, la formation de relief à la surface, notamment des intrusions et des surfaces fraîches (non oxydées) suite à la déformation plastique, entraîne des modifications au niveau des conditions d’interface entre l’environnement et le matériau, et donc une modification de l’endommagement du matériau par l’environnement. C’est pourquoi, l’étude de l’évolution de la surface suite à la déformation plastique est importante. Elle peut permettre non seulement de comprendre ou quantifier les mécanismes de plasticité, mais aussi d’étudier l’influence de l’environnement sur le comportement du matériau.
Ainsi, du fait de sa résolution, l’AFM en mode topographique est utilisé depuis plus de 10 ans pour l’étude de la topographie créée à la suite d’une sollicitation mécanique.
Différentes études ont été menées pour l’étude des mécanismes de formation et de croissance des bandes de glissement sur des alliages métalliques monophasés ou bi- phasés [Cou99, Kra05, Fer06]. Pour les aciers duplex (austéno-ferritique), la déformation au niveau de chaque phase a été étudiée par analyse AFM des évolutions de la surface dans chacun des grains [Fre06] et par mesure AFM de la déformation de micro-grilles [Vig05]. La déformation plastique dépendant de la microstructure et de l’orientation cristallographique des grains, les résultats issus de la seconde méthode, moins locale, peuvent apparaître plus représentatifs du comportement de chaque phase. Cependant, ils ne permettent pas d’expliquer les interactions entre les deux phases et les mécanismes d’évolution des bandes de glissement. Pour prendre en compte la microstructure, les analyses AFM sont souvent couplées à une analyse EBSD (diffraction des électrons rétrodiffusés) de la surface, effectuée avant essai, et qui permet de déterminer la microstructure et l’orientation des grains.
De même que pour la déformation plastique monotone, différentes études ont été menées pour observer les différents types d’extrusion formée et en comprendre les mécanismes de formation [Nav94, Vil02, Pol03], et pour étudier leur croissance et leur évolution au cours du cyclage [Nak00, Cre01, Man02, Ris03, Man03, Man04]. Ces études, menées essentiellement sur des alliages monophasés, montrent la complexité des phénomènes, notamment le grand nombre de paramètres à prendre en compte : taille et forme des grains, orientation cristallographique. L’étude et la prise en compte de ces différents paramètres ainsi que l’aspect local de la majorité des études rendent difficile le développement de calculs et modèles basés sur les mesures AFM. Ces modèles permettraient de rendre compte de l’accommodation de la déformation ou de prédire la formation de fissures.
L’utilisation de l’AFM en milieu liquide et en température permet d’envisager une étude de l’effet de l’environnement sur la déformation plastique des alliages métalliques. Cependant, les difficultés expérimentales (corrosion du matériau mais aussi du microscope, difficulté à mettre en oeuvre des essais in-situ en milieu liquide) n’ont pas permis aux études concernant les alliages métalliques de réellement aboutir. De plus, les analyses AFM en température sont des mesures délicates et longues, peu compatibles avec les dérives au niveau des mesures AFM. C’est pourquoi, l’environnement est un des paramètres du matériau ou de l’essai mécanique, sans pour autant que soient menées réellement des analyses AFM in situ. Ainsi, l’influence de l’hydrogène absorbé sur la localisation de la déformation plastique de l’acier 316L a été étudiée [Men08]. Des éprouvettes de traction, pré- chargées cathodiquement, ont été sollicitées puis leur surface et notamment la géométrie des bandes de glissement ont été analysées par AFM.
Il est à noter que la plupart des études concernant les aciers est menée sur des alliages monophasés, austénitiques ou ferritiques. L’étude d’aciers martensitiques ou bainitiques est en effet délicate : la présence de carbures rend l’obtention d’images AFM en mode contact difficile. De plus, la rugosité de surface créée suite à une déformation plastique semble beaucoup plus complexe que celle observée au niveau des phases ferritique et austénitique.