IDENTIFICATION ET ANALYSE DES PHASES DANS LES ACIERS AU MOYEN DE L'ÉMISSION IONIQUE SECONDAIRE

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IDENTIFICATION ET ANALYSE DES PHASES DANS LES ACIERS AU MOYEN DE L’ÉMISSION

IONIQUE SECONDAIRE

R. Namdar, D. Loison, R. Tixier

To cite this version:

R. Namdar, D. Loison, R. Tixier. IDENTIFICATION ET ANALYSE DES PHASES DANS LES

ACIERS AU MOYEN DE L’ÉMISSION IONIQUE SECONDAIRE. Journal de Physique Colloques,

1984, 45 (C2), pp.C2-673-C2-678. �10.1051/jphyscol:19842156�. �jpa-00223828�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C2, supplement au n02, T o m e 45, f6vrier 1984 page C2-673

I D E N T I F I C A T I O N ET ANALYSE D E S PHASES DANS L E S A C I E R S AU MOYEN D E L'EMISSION I O N I Q U E SECONDAIRE

R. Namdar, D. Loison et R. Tixierr

IRSID, 78105 Saint-Germain-en-Laye Cedex, France

R6sum6

-

Les possibilit6s d'utiliser 1'6mission ionique secondaire pour 1'6tu-

-

de des ph6nom6nes de prgcipitation de certains 616ments dans l'acier sont mon- tr6es.

La mise a profit de l'effet de liaison chimique a permis d16tablir des courbes d16talonnage.

Ces courbes sont utilis6es pour la mesure de taux de prkipitation de Nb, de Al, de V et de C, dans les aciers au C ou microalli6s.

Abstract - The possibilities of SIMS for studying the precipitation of some elements in steel have been shown.

Calibration curves based on the chemical binding effect are determined for different elements. These curves are used to measure the fraction of Nb, Al,

V

and C precipitated in microalloyed and carbon steels.

La connaissance de 116tat de precipitation revet une importance croissante dans 116tu- de des propri6t6s d'emploi des aciers.

Le metallurgiste a besoin de disposer d'informations compl6tes sur la nature, la r6- partition et surtout la quantit6 des pr6cipit6s.

Parmi les diff6rentes m6thodes qui existent, la spectrom6trie de masse d'ions secon- daires s'est montree bien adaptee pour repondre a ce besoin : outre la possibilit6 d'identification qualitative de certaines phases, cette mhthode, comme nous allons le montrer, permet aussi la mesure de taux de precipitation.

I

-

PRINCIPE DE LA METHOD€

1.1

-

Analyse ionique (figure 1)

---

L16chantillon est bombard6 par un faisceau d'ions primaires (oxygkne, argon). Sous l'effet du bombardement, se produit une erosion progressive de la surface et des ions secondaires, caracteristiques de 116chantillon, sont emis. Aprks acc&16ration, ces derniers p6n6trent dans un spectromktre de masse. Dans l'analyseur ionique SMI 300 (CAMECA) utilis6 ici, on peut soit mesurer l'intensitg des ions secondaires (analyse, spectrometric), soit former une image des ions correspondant

a

1'616ment s6lectionn6 et representative de sa &partition spatiale dans 1'6chantillon (possibilit6 d'iden- tification de certaines phases pr6cipit6es).

1.2

-

Mesure de taux de precipitation

...

Le principe de la m6thode dBvelopp6e est fond6 sur le fait que pour un alliage de composition globale constante, 11intensit6 d'unionsecondaire caractgristique d'un 616ment donn6, varie avec 1'6tat de liaison (1-5) et plus particulikrement avec le taux de prgcipitation de 1'616ment dans l'acier. Ainsi apr6s 6talonnage au moyen d86chantillons de rgference (6tat pr6cipit6 et 6tat en solution), il est possible de determiner la fraction prBcipit6e de 11616ment consid6r6, comme nous l'illustrerons plus loin.

*actuellement 2 llETCA, 941 14 Arcueil Cedex, France

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19842156

C2-674 JOURNAL DE PHYSIQUE

Obiestit

Electrons de projectnon d irnrnerrlon

xy

D~aphragme

de selection

F i g . 1

-

Schema d e p r i n c i p e e t f o n c t i o n n e m e n t

Spectrametrie Microprophie Analyse

d e rnasse ionique en profondeur

d e l l a n a l y s e u r SMI 300.

I1

-

^MATERIAUX ET CONDITIONS EXPERIMENTALES

11.1

-

A c i e r s e t t r a i t e m e n t s t h e r m i q u e s

...

Pour 1 1 6 t a b l i s s e m e n t d e s c o u r b e s d 1 6 t a l o n n a g e d e chacun d e s e l e m e n t s BtudiBs, n o u s a v o n s u t i l i s e e n t r e 5 e t 8 n u a n c e s d l a c i e r s B t e n e u r s en Nb, V , A 1 ou C d i f f e r e n t e s . T o u t e s ces n u a n c e s d l a c i e r s o n t s u b i d e s t r a i t e m e n t s t h e r m i q u e s e n vue d ' o b t e n i r deux Q t a t s d e r e f e r e n c e : un B t a t ob 1 ' 6 1 6 m e n t est e n s o l u t i o n s o l i d e homogene e t un B t a t d e p r e c i p i t a t i o n maximale.

Les t r a i t e m e n t s t h e r m i q u e s d e r e m i s e e n s o l u t i o n " t o t a l e " e t d e p r e c i p i t a t i o n I ' t o t a l e "

o n t Bt6 c h o i s i s d l a p r & s les donn6es d e l a l i t t e r a t u r e . La mt5thode d l e x t r a c t i o n Blec- t r o c h i m i q u e ( 6 ) a 6 t 6 u t i l i s e e p o u r v e r i f i e r 1 1 6 t a t d e p r e c i p i t a t i o n a p r s s c e s t r a i - t e m e n t s .

11.2

-

C o n d i t i o n s d l e s s a i s

---

+ + -

I o n s o r i m a i r e s : f a i s c e a u d l i o n s A r ou 0-

-

I n t e n s i t e p r i m a i r e : 2 , 5 . 1 0 - ~ ~ / c m ' ^- L

-

I o n s s e c o n d a i r e s : nous a v o n s s y s t 6 m a t i q u e m e n t mesur6 l e s i n t e n s i t e s s e c o n d a i r e s IN+ e t IFe+ ; I M + e s t l ' i n t e n s i t e d e l l i o n c a r a c t 6 r i s t i q u e d e 1 ' 8 1 6 m e n t M d o n t on v e u t m e s u r e r l e t a u x de p r e c i p i t a t i o n .

-

Vide r e s i d u e 1 a u v o i s i n a g e d e l ' o b j e t : t o r r e n v i r o n .

-

P r e c i s i o n d e m e s u r e s : pour 1 ' C t a b l i s s e r n e n t d e s c o u r b e s d e c a l i b r a g e , n o u s a v o n s e f f e c t u e p l u s d ' u n e c e n t a i n e d e rnesures p a r e c h a n t i l l o n , p o u r r g d u i r e l l e f f e t d e d i s - p e r s i o n i m p u t a b l e B l a n a t u r e m @ m e d e s a c i e r s . Une p r 6 - 6 r o s i o n s y s t e m a t i q u e d e 3 mn a k t 6 e f f e c t u t 5 e a v a n t c h a q u e mesure, a f i n d e s ' a f f r a n c h i r d e s e f f e t s B v e n t u e l s d e s u r f a c e . Des d i a p h r a g m e s d e d i f f e r e n t s d i a m h t r e s p o u v a i e n t & r e i n t e r c a l e s s u r l e t r a - j e t d e s i o n s s e c o n d a i r e s p o u r p e r m e t t r e B l a f o i s d 1 6 v i t e r l ' e f f e t d e b o r d d e c r a t e r e e t d l B l i m i n e r du champ d e m e s u r e s c e r t a i n e s g r o s s e s i n c l u s i o n s d l o x y d e s s u s c e p t i b l e s d e p e r t u r b e r l e s r e s u l t a t s .

I11

-

ESSAIS REALISES ET RESULTATS OBTENUS

111.1

-

Mise

aiun-acieF-inaisfFieI---

e n e v i d e n c e de l l e f f e t d e l i a i s o n c h i m i q u e d a n s l e c a s

...

Deux B c h a n t i l l o n s d l a c i e r 3 b a s c a r b o n e c o n t e n a n t 0,018E d e A 1 e t 0,0055% d e N2 ( e n p o i d s ) o n t s u b i d e s t r a i t e m e n t s t h e r m i q u e s a f i n d ' o b t e n i r :

-

un Q t a t e n s o l u t i o n s o l i d e (1250°C p e n d a n t 30 mn s u i v i d e t r e m p e l l e a u ) ,

-

un B t a t d e p r e c i p i t a t i o n t o t a l e d ' a z o t e s o u s forme d e A 1 N (1250°C p e n d a n t 30 mn s u i v i d e t r e m p e l ' e a u p u i s 700°C p e n d a n t 20 h ) .

Nous avons Btudid 1'6volution des intensites secondaires des ions 2 7 ~ 1 + et 5 7 ~ e + en fonction de la pression d'oxygbne au voisinage de 116chantillon (couverture progres- sive de la surface avec de l'oxyghne l'aide d'une fuite reglable).

Les courbes obtenues pour deux 6tats (AlN totalement pr6cipit6 et A1N totalement re- mis en solution) d'une part et pour deux gaz de bombardement d'autre part (argon et oxygbne), sont reportees sur les figures 2a et 2b.

-

IONS PRIMAIRES . 02' u) 2 ^{Ech :} A3 1250'130' + 700.1 20 h

- e

^{( AIN pi6ciplts I}

u

$10 5 7 ~ d

3 *

Z 5

! k p 1 b 4

lo5

PRESSION ( torr )

-

^{IONS PRIMAIRES : 0;}

u)

2 Ech . A 2 1250~130'

0.

V LAIN non m r i r i n i t i 1

loSl I 1 ~ ~ ~ 1 1 1 I t ~ 1~1 1~~~ ~~~ 1 ~ l

107 10-6 lo-= 1 8 4

PRESSION ( torr )

-

IONS PRIMAIRES : A,' Y)

1: ^{Ech : A3} I25O0130'r 700'1 20h

-

0. ^{( AIN pri.ipiti} 1

u

C

PRESSION ( torr ) IONS PRIMAIRES : ~ r *

1 1,111111 I I I , I,,, ^{I 1 1 1 ,}

10-7 10-6 U-5 %

PRESSION ( t o n )

Fig. 2

-

Influence de 1'6tat de precipitation et de la pression d'oxygbne au voisinage dlun Bchantillon d'acier (Al% = 0,018, N5 = 0,0055) sur 11intensit6 secondaire des ions 27~1+ et 57~e+.

a) Cas du bombardement avec ions primaires 0:

L

b) Cas du bombardement avec ions primaires ~ r + . La comparaison de ces courbes montre que :

1

-

pour les faibles valeurs de pression de O2 (toutes choses 6gales par ailleurs), il existe bien une nette diff6rence des intensites secondaires de llion Al+ entre les deux Btats m6tallurgiques,

2

-

cette difference due l'effet de liaison chimique, est beaucoup pluq importante lorsque l 1 o n bombarde llBchantillon avec des ions primaires ArC,

3

-

lleffet de liaison chimique diminue progressivement et disparalt lorsque l'on atteint le seuil de saturation de la surface en O2 (4.10-5 torr environ),

-

4

-

pour bien mettre en Cvidence les diffBrences d1intensit6 entre les deux etats, on doit donc op6rer dans le domaine de basses pressions ; de plus, l'existence, dans ce domaine, d'un palier pour les intensit&, permet de nBgliger l'effet de la varia- tion de la pression rBsiduelle d'O sur les rapports d1intensit6s.

2

C2-676 JOURNAL DE PHYSIQUE

Pour l'ensemble des nuances d'aciers utilides, nous avons mesure, pour chacun des deux 6tats (~r6cipit6 et en solution solide), les intensit6s des ions 9 3 ~ b + , 5 1 ~ + , 27~1+, 1 2 ~ + et 57~e+. Nous avons 6tudi6 116volution du rapport IM+/I Fe

+

(193Nb+/IFe+,

...,

etc) en fonction de la teneur globale disponible de 11616ment consid6r6.

Le choix du rapport IM+/IFe+ avait pour but de s'affranchir de l'effet de certains parametres difficiles A contr6ler (rendement de pulv6risation, intensit6 primaire,

. . ^.,

^etc).

Ceci nous a perrnis d16tablir des courbes de calibrage pour la mesure de taux de pr6- cipitation de AlN, de Nb(CN), de VC et de carbone pr6cipit6. Les figures 3a et 3b en sont deux exemples (Nb pr6cipit6 et C pr6cipit6). Ces courbes montrent que :

-

les intensites relatives varient lineairement avec la teneur globale de 11616ment consid6r6,

-

la droite de variation ainsi obtenue a une pente nettement plus 6lev6e dans le cas oh lt616ment est B 1'6tat pr6cipit6,

-

^B l'aide de ces deux droites de calibrage, il est possible de mesurer le taux de pr6cipitation de 1'616ment M soit graphiquement (voir figure 3a), soit en utilisant la formule qui en derive :

I - I M 5 p =-

I - I P

s

avec : P = fraction pr6cipit6e

IM = intensit6 relative ionique mesurge

I et IS = intensit6s relatives d6duites des courbes dt6talonnage (voir fig.

3a). P

111.3

-

Application de la m6thode

...

: courbe de remise en solution de Nb(CN) Pour une coulee industrielle d'acier A 0,18% de C et 0,044L de Nb, il a 6t6 effectu6 des mesures d1intensit6 ioniques de l'ion 9 3 ~ b + et 5 7 ~ e + sur des 6chantillons ayant subi des traitements thermiques entre 900°C et 1300°C. L'utilisation des droites d16talonnage (fig. 3a) a permis de tracer la courbe de remise en solution du Nb en fonction de la temperature. De plus, nous avons compare cette courbe B celle Btablie par la m6thode d'isolement 6lectrochimique (6) ; la figure 4 met en 6vidence le bon accord entre les r6sultats obtenus par les deux m6thodes.

IV - DISCUSSION

Pour commenter nos rgsultats, nous consid6rerons plus specialement deux mgcanismes d'ionisation, parmi ceux qui ont 6t6 propos6s B ce jour :

.

L16mission chimique ( 7 ) : elle prend naissance dans les compos6s de type ionique.

Les particules sont directement 6mises B l'6tat d'ions et les signaux correspondants sont, de ce fait, tr&s intenses.

.

L16mission cin6tique (8) : l'atome 6ject6 est port6 B la surface dans un 6tat ex- cit6 et s'ionise lors du passage m6tal-vide ; les rendements d'ionisation sont alors beaucoup moins importants qu'en Bmission chimique.

Ces deux types d16mission permettent d'expliquer l'allure des courbes pr6sent6es aux figures 2a et 2b : ltintensit6 des ions ~ l + , A faible pression d102, est beaucoup plus importante pour 116chantillon B 116tat pr6cipit6 (on se trouve en processus d16mission chimique) que pour 116chantillon 21 116tat en solution solide (6mission ci- n6tique).

.

Cette diff6rence d1intensit6 s'estompe si l'on modifie artificiellement le mecanis- me d16mission des particules soit en bombardant la surface avec un faisceau d'ions

o;

,

soit en la saturant avec un gaz chimiquement actif ; on favorise alors le m6ca-

:O 25 50 75 100 125 :I50 ~b % x: lo3 ~b$ i N b en sol. Y Pdr Fig. 3

-

Courbes d16talonnage pour la rnesure de taux de : a) Nb pr6cipit6

-

b) C pr6cipit6 (en abscisse : teneurs en Nb total ou C total)

MlSE EN SOLUTION NblC.NI EN FONCTlON DE T

*

Sonde ionique

*

lsolement electrochim~que COMPOSITION ACIER % Temperature de mire en solution Fig. 4

-

Courbes de remise en solution de Nb(CN) obtenues par spectrornBtrie de rnasse d'ions secondaires et par isolernent Blectrochirnique C,

K

^{U U}

C2-678 JOURNAL DE PHYSIQUE

nisme d16mission chimique q u e l que s o i t 1 ' B t a t de l i a i s o n dans l e q u e l l e s p a r t i c u l e s B j e c t e e s se t r o u v a i e n t .

La v a r i a t i o n l i n e a i r e des i n t e n s i t e s r e l a t i v e s avec l a c o n c e n t r a t i o n ( f i g . 3a e t 3b) peut s ' e x p l i q u e r de l a manihre s u i v a n t e :

-

pour l e s f a i b l e s c o n c e n t r a t i o n s (0,020 B 0,15 en Nb e t 0 , l B 0,8 en C dans n o t r e exemple) on p e u t c o n s i d e r e r que l e Nb e t l e C s o n t B d i l u t i o n i n f i n i e dans l a m a t r i - ce ; l e s p r o b a b i l i t e s d ' i o n i s a t i o n v a r i e n t a l o r s l i n e a i r e m e n t avec l e s c o n c e n t r a t i o n s ce q u i r e v i e n t B d i r e , qulau c o u r s de 1 1 6 j e c t i o n , l e s i n t e r a c t i o n s Nb-Nb ou C-C r e s - t e n t n 6 g l i g e a b l e s .

Ces r e s u l t a t s sont en accord avec l e s f o r m u l a t i o n s des p r o b a b i l i t e s d ' i o n i s a t i o n pr6- sentees p a r SROUBEK ( 9 ) ou PIVIN e t ROQUES-CARMES (101, au moins pour l e processus d16mission chimique.

V

-

CONCLUSIONS

Nous avons montr6 que l a spectrometric de masse d ' i o n s secondaires p o u v a i t concr5te- ment s ' a p p l i q u e r B l a mesure de taux de p r e c i p i t a t i o n d1616ments d l a l l i a g e dans l e s a c i e r s i n d u s t r i e l s .

C e t t e methode de mesures a d ' o r e s e t d 6 j h 6 t 6 appliquee B de nombreux cas et, en par- t i c u l i e r , ceux pour l e s q u e l s d l a u t r e s techniques p l u s c l a s s i q u e s pouvaient d i f f i c i l e - ment & t r e employ6es ; c ' e s t l e cas :

-

dlune p r e c i p i t a t i o n t r & s f i n e (AlN),

-

d'une analyse l o c a l i s e e , p a r exemple en vue de 1 ' 6 t u d e de l ' e v o l u t i o n du taux de p r e c i p i t a t i o n avec l a temperature dans l a zone a f f e c t e e p a r l a c h a l e u r de p i e c e s m6- t a l l i q u e s soudees,

-

des mesures de f r a c t i o n p r e c i p i t e e dans l e s t B l e s d l a c i e r s t r h s minces.

La s i m p l i c i t 6 r e l a t i v e de mesure des taux de p r e c i p i t a t i o n t i e n t au f a i t que l e s i n - t e n s i t e s i o n i q u e s secondaires v a r i e n t l i n k a i r e m e n t avec l a teneur g l o b a l e d i s p o n i b l e de 1'81Cment concern6. I1 e s t p a r consequent i m p o r t a n t de s e s i t u e r dans l e domaine des f a i b l e s c o n c e n t r a t i o n s pour l e q u e l c e t t e l i n e a r i t 6 e s t v 6 r i f i 6 e .

Nous comptons p o u r s u i v r e c e t t e 6tude en determinant l e s l i m i t e s e t l e s c o n d i t i o n s o p t i m a l e s d ' u t i l i s a t i o n de l a methode a f i n de l a rendre p l u s f i a b l e , en vue d'une a p p l i c a t i o n p l u s g 6 n e r a l e au cas c o n c r e t des a c i e r s .

Nous remercions l a Haute A u t o r i t e des Communaut6s Europeennes du Charbon e t de l l A c i e r pour sa p a r t i c i p a t i o n f i n a n c i e r e B c e t t e etude.

Nous remercions Qgalement Mme CHARLES e t M. TAUPIN pour l e u r p a r t i c i p a t i o n B 11ex6cu- t i o n des essais.

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