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CHAPITRE IV :
PROCEDURES EXPERIMENTALES
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CHAPITRE IV : PROCEDURES EXPERIMENTALES
Ce chapitre décrit les techniques expérimentales de caractérisation que nous avons utilisées. Les appareils utilisés pour la caractérisation et les principes de fonctionnement sont détaillés.
1. ECHANTILLONNAGE
Tous les alliages ont été fournis par le Department of Metallurgy and Materials Engineering -Katholieke Universiteit Leuven-.
1.1. Composition des alliages étudiés
Alliage 3 % Ni : 83,63% Cu ; 13,34% Al ; 3,00% Ni ; 0.03 % B (% en poids) C'est un alliage produit par PROTEUS, une société belge, pour le Département MTM de la KUL. Il a été préparé par fusion à induction et extrudé à chaud à 800 °C en une barre de 8 mm de diamètre. Une partie du matériau a été laminée à chaud en une bande de 12x1 mm2 et 1.6 mm d’épaisseur.
Alliage 4 % Ni : 82,96% Cu ; 13,00% Al ; 4,00% Ni ; 0.04 % B (% en poids)
Cet alliage a été produit par le Department of Metallurgy and Materials Engineering MTM (KUL). Il a été préparé par la fusion à induction et extrudé à chaud. Le matériau était alors laminé à chaud pour donner une bande de 1,5 millimètre d’épaisseur.
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Alliage 5 % Ni : 81,84% Cu, 13,13% Al ; 5,00% Ni ; 0.03 % B (% en poids)
Feuille de 1.1 millimètre d'épaisseur commercialement laminée à chaud.
1.2. Dimensions des échantillons
Les échantillons ont été reçus sous forme des plaques rectangulaires d’environ 10x 15 cm2 de surface, d’épaisseur allant de 1 mm à 2 mm. Ces plaques ont été laminées dans un laminoir « Wellman », et découpées dans une machine « LVD Ingersol EDM T 50» pour donner les échantillons de forme et dimension suivantes :
Barreaux de 65 mm de longueur, 4 mm de largeur et 1 mm d’épaisseur pour les études par résistivité électrique ;
Barreaux de 10 mm de longueur, 4 mm de largeur et 1 mm d’épaisseur pour les études de la compression et pour les analyses thermomécaniques ;
Barreaux de 4 mm de longueur, 1.5 mm de largeur et 1 mm
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1.3. Appareillages utilisés pour la préparation des échantillons 1. Tronçonneuse « struers Minitom »
Groupe science des Matériaux Université libre de Bruxelles (Photo Binene)
2. Laminoir « Wellman » 3. Découpeur« EDM T 50 »
Department of Metallurgy and Material Engineering/ Katholieke Universiteit Leuven/Belgium (photos Laboratoire MTM)
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2. TRAITEMENTS THERMIQUES
2.1. Choix et conditions du traitement thermique de trempe
Le traitement thermique de référence consiste en une homogénéisation en phase β (Cubique Centré désordonnée) à 800°C pendant 30 minutes, puis une trempe dans l’eau (25°C).
L’homogénéisation a pour objectif d’effacer toute l’histoire thermomécanique de l’échantillon.
Nous avons, dans notre étude, effectué pour tous les échantillons une trempe directe à partir de 800 °C dans de l’eau salée (10% NaCl) se trouvant à température ambiante. L’utilisation de l’eau salée va permettre d’effectuer une trempe la plus énergique possible en vue d’assurer l’obtention de 100 % de martensite.
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Appareil utilisé pour la trempe
Four électrique tubulaire à résistances et à atmosphère contrôlée
Department Metallurgy and Materials Engineering/ Katholieke Universiteit Leuven/Belgium (Photo Binene).
2.2. Traitements thermiques de vieillissement
Les traitements thermiques de vieillissement ont été effectués dans un four à bain de sel. L’utilisation d’un bain de sel assure le maintien de la température à 200 °C, 250 °C, 275 °C, 300 °C et 350 °C pendant tout le vieillissement (vieillissement isotherme). Elle permet aussi à ce que la température de maintien soit atteinte le plus rapidement possible.
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2.2.1. Conditions de vieillissement
- Température de vieillissement : 200 °C, 250 °C, 275 °C, 300 °C et 350 °C - Temps de vieillissement : 0.5 minute, 1 min, 2 min, 4 min, 8 min, 16 min, 32 min, 64 min, 128 min, 256 min.
2.2.2. Détails techniques du sel utilisé
Détails techniques sel
Composition sel Température de travail 45 % NaNO3, 55 % KNO3 160 °C - 400 °C
Appareillages utilisés pour le vieillissement
Fours à bain de sel
Department of Metallurgy and Materials Engineering/ Katholieke Universiteit Leuven/
Belgium [Photo Laboratory MTM)
120 INSTRON 4505 (100 kN)
Gamme de vitesse
Dégagement entre les colonnes
0.0005 - 1016 mm/min
575 mm Compression Diamètre maximal des enclumes 150 mm
3. ESSAIS MECANIQUES (COMPRESSION)
3.1. Dimensions des échantillons
Barreaux de 10 mm de longueur, 4 mm de largeur et 1 mm d’épaisseur pour la quantification de la perte de l’effet mémoire.
3.2. Caractéristiques de la machine de traction « Instron 4505 »
Appareil utilisé « Instron 4505 »
Department Metallurgy and Materials Engineering/
Katholieke Universiteit Leuven/Belgium (Photo Binene)
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4. METHODES D’ANALYSE STRUCTURALE
4.1. Analyse métallographique par microscopie optique
But : détermination des structures métallographiques.
Préparation des échantillons et observations microscopiques
La préparation métallographique des échantillons a consisté en un polissage mécanique avec du papier de verre (grade 60 - 120 – 240 – 400 – 600) suivi d’un polissage à la pâte de diamant (3 μm, 1 μm). Nous avons pris soin de refroidir suffisamment à l’eau pendant le polissage.
Les examens métallographiques, après polissage et sans attaque chimique, ont été effectués à l'aide d'un microscope universel à chambre photographique de marque REICHERT type Zetopan fonctionnant en lumière polarisée. Le grossissement maximum utilisé est de 1680 x (objectif à immersion).
Appareil de polissage TF 250 Microscope optique Polyvar MET Department Metallurgy and Materials Engineering/ Katholieke Universiteit
Leuven/Belgium (Photos Binene)
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4.2. Analyse EDX dans le microscope électronique à balayage (SEM) But : Identification de la nature des précipités de taille microscopique.
Nous avons effectué les analyses EDX sur les coupes métallographiques déjà observées par microscopie optique.
La microscopie électronique à balayage permet l'obtention d'un grossissement nettement plus élevé. Notons que les échantillons enrobés ont été préalablement recouverts, par évaporation sous vide, d'une fine couche d'or afin d'améliorer la conductibilité électrique superficielle en vue d'évacuer les charges électriques qui perturbent l'image et afin d'empêcher la contamination par l'enrobage sous l'action du faisceau électronique.
Nous avons utilisé un microscope FEI QUANTA 200 3D qui est équipé d'un système d'analyse EDX, EDAX GENESIS.
La tension de travail est de 20 kV. Le mode image utilisé est le mode par électrons secondaires qui nous a donné des images de meilleure qualité que le mode par électrons rétrodiffusés, même pour les échantillons polis et non attaqués (faible relief).
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L'analyse EDX permet de connaître la composition élémentaire qualitative et/ou quantitative d'un échantillon à partir de la mesure par un détecteur Si(Li) des énergies des photons X émis par la région de l'échantillon bombardée par le faisceau d’électrons *97].
Appareillage utilisé : microscope FEI QUANTA 200 3D
Groupe Science des Matériaux / Université Libre de Bruxelles/Belgique (Photo Binene)
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4.3. Analyse structurale par microscopie électronique en transmission
But : Observation de la structure martensitique, des dislocations et des précipités.
Pour l’observation au microscope électronique en transmission, nous avons préparé les lames minces de la manière suivante :
Nous avons utilisé l’amincissement par polissage électrolytique. Nous avons utilisé la méthode du double jet (figure IV.1) [98]. Le jet d’électrolyte a lieu simultanément sur les deux faces de l’échantillon jusqu’à ce que celui-ci soit percé. La zone bordant le trou est généralement suffisamment mince pour être observée.
Figure IV.1 : principe de l’amincissement par polissage électrolytique [98]
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• Première étape : amincissement mécanique.
Les échantillons sont d’abord amincis mécaniquement jusqu’à une épaisseur de 100 μm.
• Seconde étape : amincissement final.
Enfin, des petites rondelles (3mm de diamètre) subissent un amincissement électrolytique. Cet amincissement électrolytique a été réalisé par la technique du double jet dans un appareil de marque Struers.
Le bain électrolytique est composé de [99]:
33 % en volume de HNO3
67 % en volume de méthanol
La température du bain est de - 40 °C et la tension appliquée varie de 12 V.
Nous avons examiné les lames minces à l'aide d'un microscope électronique PHILIPS CM 20 ULTRATWIN.
Le microscope PHILIPS CM 20 ULTRA-TWIN est un microscope électronique à balayage en transmission (STEM) de 200 kV.
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Nous avons travaillé en mode TEM sous une tension de 200 kV.
L'utilisation d'une tension de 200 kV pour l'analyse structurale a permis d'obtenir des zones transparentes aux électrons beaucoup plus étendues et d'accroître ainsi notre champ d'observation.
Ce microscope a les spécifications suivantes:
Tension d'accélération: 20-200 kV,
Intensité du courant d'émission: 2,5 – 100 μA,
Filament émetteur: hexaborure de lanthane LaB6,
Pression dans la colonne: 2,7 x 10-5 Pa.
Appareil utilisé : microscope PHILIPS CM 20 ULTRATWIN.
Groupe Science des Matériaux / Université Libre de Bruxelles/Belgique (Photo Binene)
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4.4. Caractérisation des phases par diffraction des rayons X But : Identification du type de martensite et des précipités.
Les analyses par diffraction sont basées sur la loi de Bragg :
λ = 2d sin θ (figure IV.2).
Cette loi régit la diffraction d’un rayonnement incident de longueur d’onde λ par une famille de plans d’un cristal *100+.
Figure IV.2 : la loi de Bragg [100]
Les analyses diffractométriques permettent ainsi, en premier lieu, de déterminer la structure cristalline d’un matériau.
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Ce sont donc des méthodes complémentaires aux méthodes d’analyse chimique. Ces dernières permettent d’identifier les éléments chimiques présents dans le matériau tandis que l’analyse diffractométrique permet de connaître le réseau cristallin constituant le matériau.
La profondeur de la zone analysée dans l’échantillon dépend du coefficient d’absorption qui est fonction de la longueur d’onde des rayons X utilisés et de la composition chimique de l’échantillon. Cette profondeur est généralement de l’ordre de quelques microns à quelques dizaines de microns.
Nous avons utilisé un diffractomètre de marque Siemens D5005 contrôlé par ordinateur avec un logiciel Analyze Rayflex. Les données sont analysées avec le logiciel EVA version 6.0 et TOPAZ version 2.0. Ce diffractomètre présente les spécifications suivantes:
anode CuKα : 1.54 Angstrom ;
tension d'accélération: 40 kV ;
intensité de courant: 45 mA.
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Appareil utilisé : Siemens D5005 X- ray diffractometer
Department Metallurgy and Materials Engineering/ Katholieke Universiteit Leuven/Belgium (Photo Binene)
4.5. Analyse structurale par analyse thermomécanique (TMA)
But : détermination des caractéristiques de transformation martensitique et étude de l’effet mémoire simple sens.
L’analyse thermomécanique mesure de façon précise les variations de longueur d’un échantillon en fonction de la température et permet ainsi d’étudier les transformations de phase.
Nous avons utilisé un appareil qui comprend :
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Un four (de volume assez faible en général) régulé, programmé (vitesse de chauffe de 0.01 à 100 °C/min ; gamme de température de – 150 °C à 1000 °C muni d’un thermocouple placé près de l’échantillon.
Nous avons utilisé une vitesse de chauffe de 5 °C/min et une gamme de température de 50 °C à 400 °C.
Un capteur de déplacement pour mesurer la variation dimensionnelle de l’échantillon (longueur de l’échantillon jusqu’à 20 mm) ;
Il est possible de travailler sous atmosphère contrôlée (inerte ou oxydante) ou sous vide.
Appareil utilisé: Q400 T.A. Instruments
Department Metallurgy and Materials Engineering/ Katholieke Universiteit Leuven/Belgium (Photo Binene)
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4.6. Caractérisation des échantillons par Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)
But : détermination des caractéristiques de transformation martensitique
La DSC permet de mesurer la quantité d’énergie absorbée ou dégagée par un échantillon lors d’une transformation de phase (enthalpies). Elle permet aussi de déterminer les températures de transformation.
Nous avons utilisé un appareil DSC Q2000 TA Instruments qui permet des balayages en température entre -170 et 725 °C à vitesse constante comprise entre 1 et 20 °C/mn. Nous avons utilisé la vitesse de balayage de 5 °C/mn et une gamme de température de 25 °C à 400 °C. Les échantillons étaient découpés en lames parallélépipédiques de 2,5 x 2,5 x 1 mm3 (poids d'environ 50-60 mg) à l'aide d'une tronçonneuse lente utilisant une scie diamantée. Leurs surfaces ont été légèrement polies et nettoyées avec le méthanol pour assurer un bon contact thermique de la surface de la cellule DSC.
Les déterminations des points de transformation et de l'enthalpie, par l'intégration de l'aire du pic de transformation, sont effectuées selon la norme française NF A-5I-080.
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Appareil utilisé : DSC Q2000 TA Instruments
Department Metallurgy and Materials Engineering/ Katholieke Universiteit Leuven/Belgium (Photo Binene)
4.7. Caractérisation des échantillons vieillis par résistivité électrique
But : détermination des caractéristiques de transformation martensitique Certaines grandeurs physiques exhibent des variations importantes au moment de la transition des phases. C’est le cas, entre autres propriétés, de la résistivité électrique, la variation de volume, la chaleur spécifique, le frottement intérieur, l’effet thermoélectrique, l’émission acoustique, l’intensité des raies (tâches) de diffraction X.
L’évolution des paramètres de transformation martensitique en fonction du temps de vieillissement peut, pour cette raison, être déterminée de manière indirecte par la méthode de la résistivité électrique.
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Principe de la méthode
L’échantillon est chauffé à la vitesse de 4 °C/min de la température ambiante jusqu’à 200 °C. L’échantillon est alors en phase β. Il est ensuite refroidi jusqu’à la température ambiante et décrit ainsi un cycle thermique complet.
Dans la plupart des cas, la résistivité électrique montre une variation approximativement linéaire avec la température. Si l’on néglige les effets de la composition (la transformation martensitique est par définition une transformation sans diffusion, la composition chimique de la martensite est supposée identique à celle de la phase β), la résistivité de deux phases devrait être la même (ρβ = ρM). Mais, à cause de sa faible symétrie du réseau et de sa haute densité des fautes (interfaces invariantes, fautes d’empilement ou macles, dislocations) par rapport à la phase β, la résistivité de la martensite est plus élevée que celle de la phase β (ρM> ρβ).
La transformation martensitique est alors accompagnée d’une variation importante de résistivité, ce qui permet de détecter des points de début et de fin de transition.
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Description de la technique de mesure
Figure IV.3 : Schéma de la cellule des mesures de résistivité électrique à haute température [6]
Ordinateur
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La technique la plus courante est celle de la mesure de la résistance de l’échantillon par quatre points.
L’échantillon de dimensions standardisées est fixé à quatre bornes de cuivre tel que le schématise la figure IV.3 Un courant électrique d’intensité constante (de valeur connue) passe par les deux fils extérieurs à travers l'échantillon. La mesure de la différence de potentiel aux bornes des deux fils intérieurs en fonction de la température est proportionnelle à la résistance de l'échantillon. On en déduit alors la valeur de la résistance.
Un courant est appliqué à l’échantillon par un générateur de courant constant. Le courant étant connu, il suffit donc de mesurer la tension aux bornes de l’échantillon pour en déduire la résistance.
L’échantillon, sur lequel sont soudés les quatre fils, est fixé sur un disque en alumine et une plaque en acier inoxydable. L’isolement électrique des fils est assuré par les tubes en céramique où ils passent [6].
La température de l’échantillon est mesurée de façon continue, pendant l’expérience par l’intermédiaire d’un couple thermoélectrique en chromel–alumel fixé sur l’échantillon même à l’aide d’une bande adhésive thermoconductrice et dont la force électromotrice alimente un ordinateur.
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Une source Topward Electric Instruments, série TPS-2000 (l6V/2,5A), donne le courant électrique stabilisé. Un multimètre Hewlett Packard, série HP3478A, mesure la tension aux bornes de l’échantillon. Un ordinateur enregistre les variations de la tension et de la température. Un four tubulaire à résistance Adamel contient la cellule comportant l’échantillon. La variation de température, entre 25°C et 700°C et avec une vitesse de 10°C/min, est assurée par ce four tubulaire [6].
Difficultés et avantage de la méthode à 4 fils [3]
La mesure de la résistance de l’échantillon demande des précautions impératives au niveau de son mode opératoire de façon à éviter un certain nombre d’erreurs systématiques et à assurer une bonne précision.
La mesure de la résistance est délicate dans ce cas car proche de zéro ( de l’ordre de 10-7 m pour un alliage à base de cuivre). Les instruments de mesure doivent donc être très sensibles et peu sujets aux parasites.
Pour cela, on utilise la méthode dite des « 4 fils ». Comme dit plus haut, le courant circule entre les deux fils extrêmes et on mesure la tension entre les deux fils médians. Ce montage permet de supprimer l’erreur due à la résistance des fils de contact.
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Une deuxième difficulté est la différence de température pouvant exister entre les deux fils médians (gradients thermiques au niveau de l’échantillon lors du balayage en température) et qui provoque l’apparition d’une tension supplémentaire U’ (effet thermocouple). On ne mesure donc pas U = RI mais U2 = RI-U’.
Pour éviter cet inconvénient on utilise le courant alternatif et on mesure U à chaque alternance.
Appareil utilisé : Hewlett Packard, série HP3478A
Department Metallurgy and Materials Engineering/ Katholieke Universiteit Leuven/Belgium (Photo Binene)
