Epaisseur max. réalisable (cm)

(1)

(2)

Microstructure des matériaux non organiques Les différents éléments de la microstructure

déjà vus lors du premier cours

ici : leur agencement, du point de vue de l’ingénieur examen ou expertise d’un matériau conception d’un nouveau matériau Les moyens de caractérisation physico-chimique et mécanique

de plus en plus variés... comment choisir Vers le « génie des microstructures »

ingénierie intégrant la microstructure dans l’optimisation du matériau les meilleurs ?

les mieux adaptés ?

(3)

3

Les éléments de la microstructure

De l’échelle la plus fine à l’échelle macroscopique solution solide

distribution des phases grains

porosité

Les propriétés régies par chacun de ces éléments

(4)

Solution solide (1/9) : propriétés cristallographiques

Est-elle cristalline ou amorphe?

Propriétés des matériaux amorphes

diffusion rapide propriétés optiques pas de joints de grains pas de dislocations

Exemple : les verres métalliques très durs et résistants à la corrosion

(5)

5

Solution solide (2/9) : verres métalliques

Année

Epaisseur max. réalisable (cm)

Comment obtenir des verres métalliques « massifs »?

J.F. Löffler, 2003

(6)

Solution solide (3/9) : verres métalliques Conditions d’obtention des verres métalliques :

au moins 3 ou 4 éléments chimiques

écart de rayon atomique > 12% d’un élément à l’autre

température de transition vitreuse élevée (T_g ≥ 0,6 T_fusion) diffusion lente dans le liquide (viscosité élevée)

vitrifier le liquide pour des vitesses de refroidissement modérées

énergie d’interface liquide/phases cristallines élevée ⇒ germination difficile enthalpies de mélange négatives

les phases cristallines à l’équilibre sont des composés intermédiaires tendance à se regrouper dans le liquide

selon des structures (aléatoires) ≠ de celles des phases cristallines

⇒ croissance difficile des phases cristallines

(7)

7

Solution solide (4/9) : verres métalliques Illustration thermodynamique pour un système à 2 constituants

diagramme d’équilibre suppression de la phase intermédiaire prolongation des courbes de liquidus L

αααα γγγγ ββββ

γ + β γ + βγ + β γ + β α + γ

α + γα + γ α + γ

J.H. Perepezko, 2004

(8)

diagramme d’équilibre L

αααα γγγγ ββββ

γ + β γ + βγ + β γ + β α + γ

α + γα + γ α + γ

diagramme d’équilibre diagramme métastable : eutectique bas point de fusion :

(9)

9

eutectique métastable courbes T₀ (absence de diffusion) T₀ : T pour laquelle les deux phases ont la même G à compositions chimiques identiques

(refroidissement rapide)

non miscibles miscibles

αααα

α + β α + β α + β α + β

L + β+ β+ β+ β ββββ α +

α + α + α + L

L

T₀ (L,αααα) T₀ (L,ββββ)

(10)

courbe T_g = f(composition) courbes T₀ pour chaque phase

vitrifier avant d’atteindre T₀ T_g = f(compo.)

αααα ββββ

L

αααα ββββ

L

V

(11)

11

Solution solide (7/9) : verres métalliques Propriétés résultantes

très grande dureté

résistance à la traction élevée résistance à la corrosion élevée ténacité élevée

base Fe-Co :

magnétiquement doux

Module d’Young (GPa)

Résistance àla traction (MPa)

vitreux

cristallins A. Inoue, 2000 A. Inoue,

2000

Zr-Al-Ni-Cu amorphe

(12)

Solution solide (8/9) : ordre

solution solide ordonnée solution solide désordonnée

stable à haute température (entropie)

stable à basse température

si enthalpie de mélange <0

dureté élevée fragilité

métaux : dislocations peu mobiles

⇒

risques de ségrégation corrosion

fragilisation

⇒

(13)

13

Solution solide (9/9) : défauts ponctuels Lacunes

gouvernent la diffusion des atomes de la structure déformation à chaud (viscosité, fluage) formation de nouvelles phases

vieillissement

corrosion, oxydation

transport de charges électriques (conduction ionique) condensation possible en cavités ⇒ endommagement prématuré Eléments en solution

propriétés physiques : électriques, magnétiques cf. contrôle des pièces dans les monnayeurs modification des propriétés mécaniques

cf. cours 20 sur le durcissement

(14)

Arrangement des phases (1/4)

Gouverne la plupart des propriétés des matériaux

exemples : dureté (selon dispositions respectives des phases molles et dures) transport (percolation de la phase « poreuse »)

couplage galvanique entre phases (corrosion) Moyens d’investigation

coupes (2D) + analyse d’images

⇒ outils de la morphologie mathématique : 2D et 3D tomographie (3D)

Une gamme d’échelles extrêmement large

du nm (nanomatériaux) au cm : 7 ordres de grandeur

(15)

15

Arrangement des phases (2/4) Quelques exemples de tomographie 3D

108 mm

400 µm béton

http://ciks.cbt.nist.gov/~garbocz/ J.S. Blazy, KU Leuven, 2002

mousse Al

(16)

Arrangement des phases (3/4) Exemples de matériaux à structure fine

50 nm 50 nm 50 nm

verre biphasé (MET)

Y.M. Chiang, W.D. Kingery, 1983

verre métallique Al₉₂Sm₈, traité germination de nanocristaux

(17)

17

Arrangement des phases (4/4) Le béton : un matériau multiéchelles

5 mm 5 mm

1 cm5 mm

10 µm 10 µm 10 µm

10 µm

J.M. Aubray , 2003 cliché Centre des Matériaux

http://www.nist.gov

1 mm

ciment « pris » :

surface spécifique : 700 m²/g !

17 vol.% de pores capillaires (10-500 nm) 22 vol.% de pores du gel (qq. Å à 10 nm) 61 vol.% de gel solide (CSH)

(18)

Grains (1/1) Effets d’une taille de grain fine

dureté, déformabilité (ductilité) et résistance à la fatigue champs coercitifs élevés

les joints de grains bloquent les parois de domaines diffusion facile à haute température

bénéfique : formage par superplasticité

déformabilité de 500% sans endommagement nocive : déformation à chaud,

endommagement des joints par cavitation (lacunes) Exemples : vitrocéramiques,

aciers de nouvelle génération pour boîte boisson ou automobile...

(19)

19

Porosité (1/3) Rôle bénéfique

donner de la souplesse à un matériau fragile ⇒ accommoder les déformations briques : cycles thermiques, prise du mortier

mousses : confort

conférer une surface spécifique élevée

catalyseurs, batteries, accrochage mécanique de revêtements...

Rôle nocif

les pores sont des points faibles du matériau

concentration de contraintes en leur voisinage endommagement

perméabilité aux espèces chimiques nocives

exemple : endommagement des bétons par les sulfates

(20)

Porosité (2/3)

500 µm

périclase (MgO)

1 mm porosités

chromite

mousse Ni pour batteries de téléphone portable

brique réfractaire Cr₂O₃ - MgO pour fours industriels

⇒ surface spécifique élevée ⇒ encaisser les cycles thermiques Quelques exemples de matériaux poreux

(21)

21

Porosité (3/3)

H.G. Parks, H.J. Parks, R. Stevens, 2004

Quelques exemples de matériaux poreux frittés

frittage d’une alumine issue de cendres de haut-fourneau

revêtement d’alumine pure fritté par laser

H. Exner, A.-M. Reinecke, M. Nieher, 2002

frittage :

réduction de l’énergie de surface

10 µm

10 µm 5 nm

(22)

Il existe pléthore de méthodes expérimentales complémentaires

Quelques questions à se poser pour choisir telle ou telle méthode communes à tous les types de caractérisation

particulières à telle ou telle caractérisation

Méthodes de caractérisation des matériaux (1/7)

Trois exemples :

imagerie / morphologie

composition chimique / identification de phases propriétés mécaniques

(23)

23

Méthodes de caractérisation des matériaux (2/7) Quelques « bonnes » questions à se poser avant toute analyse

Coût, disponibilité, délai des analyses directe ou indirecte ?

destructive ou non destructive ? Méthode :

géométrie de l’échantillon ? surface ou volume ?

Résultats :

valeur moyenne ou répartition statistique ?

quantitatifs ? moyens, coût, durée d’étalonnage ? résolution spatiale, profondeur et quantité de matière analysée

représentativité, effets d’échantillonnage

(24)

Méthodes de caractérisation des matériaux (3/7) Caractérisation morphologique : imagerie et analyse d’images

(25)

25

Méthodes de caractérisation des matériaux (4/7) Caractérisation morphologique : imagerie et analyse d’images

Taille de la zone à observer Résolution spatiale en largeur

Epaisseur sondée

Repérage de la zone analysée (« croiser » les techniques)

compromis entre résolution spatiale et effets d’échantillonnage statistique qq. µm : microscopie optique

< µm : MEB

> nm : MET

atomes : FIM, sonde atomique, AFM, STM

~ 0: microscopie optique

nm : imagerie Auger, imagerie en perte d’énergie des e^- µm : MEB

> mm : microscopie acoustique, tomographie des RX, contrôles non destructifs (courants de Foucault, US)

(26)

Méthodes de caractérisation des matériaux (5/7) Caractérisation chimique et identification de phases

(27)

27

Méthodes de caractérisation des matériaux (6/7) Caractérisation chimique et identification de phases

Nature (numéro atomique) des éléments analysés ? Analyse en surface ou en volume ?

surface sans érosion : AES, XPS, UPS

surface avec érosion (profils en profondeur) : GDOS, SIMS, AES, XPS volume

~ nm : EELS, nanodiffraction

~ µm : microsonde électronique, analyse nucléaire...

~ mm : diffraction des rayons X

~ cm : diffraction des neutrons

Seuils de détection et résolution :

1 % : EDS, AES, XPS, EELS

1 à 100 ppm : WDS, LAMMA, NRA

< 1ppm : SIMS

étalonnage relativement aisé : EDS, WDS, NRA étalonnage long / difficile : SIMS, AES, GDOS Résultats quantitatifs ?

(28)

Méthodes de caractérisation des matériaux (7/7) Caractérisation mécanique

Effets d’environnement et de vieillissement (température, corrosion...)

Effets d’échantillonnage : phénomènes statistiquement dispersés (rupture fragile...) Mode de chargement mécanique (uniaxial ou multiaxial, effets d’histoire)

accès aux mécanismes physiques Mesures :

ponctuelles (in situ ou non)

par champs (speckle, corrélation d’images) en volume (émission acoustique…)

Critères géométriques :

taille d’éprouvette de labo / du composant

taille d’éprouvette de labo / VER du phénomène

gradients et hétérogénéités (entailles, défauts, fissures...)

(29)

29

Ingénierie des microstructures

Comment ajuster la microstructure aux propriétés requises ? rendre les matériaux plus performants !

Pour chaque exemple :

cahier des charges

état de l’art et évolutions récentes nature et impact des microstructures Trois exemples :

aciers pour l’automobile : la « caisse en blanc » superalliages pour aubes de turbines aéronautiques vitrocéramiques résistantes au choc thermique

(30)

Aciers pour la « caisse en blanc » automobile (1/7)

Caisse en blanc

ouvrants (portières, capots, toit...)

pièces de structure (longerons, traverses...)

résistance mécanique, tenue aux vibrations pièces de sécurité (crash-tests)

www.oit.doe.gov/

(31)

31

Cahier des charges

résistance mécanique élevée (alléger le véhicule) résistance à la rupture

soudabilité faible teneur en C

bon accrochage de la couche Zn haute pureté limiter Si bas coût (concurrence) proscrire Ni, Cr, Mo...

traitements thermiques simples

ouvrants : faible limite d’élasticité emboutissage facile

pièces de structure : très haute résistance + ductilité absorption d’énergie

(32)

Une large gamme de produits

(super-emboutissables) (emboutissables)

(TRIP)

(haute limite d’élasticité)

(très haute résistance) (super-emboutissables)

(emboutissables)

(TRIP)

(très haute résistance)

ouvrants pièces de structure

résistance : 200-1000 MPa ductilité : 10-50%

Pièces de structure : absorber de l’énergie

ET résistance ductilité

(33)

33

(super-emboutissables) (emboutissables)

(TRIP)

(très haute résistance) (super-emboutissables)

(emboutissables)

(TRIP)

(très haute résistance)

ouvrants pièces de structure

Amélioration du compromis résistance/ductilité

HLE

DP

commercialisés

TRIP

en phase d’industrialisation

(34)

Phases présentes dans les aciers

fer pur, équilibre à la pression atmosphérique :

T

912°C 1394°C 1538°C

ferrite CC austénite CFC ferrite CC liquide

ajout d’éléments d’alliage :

modifie

stabilité de l’austénite

phases existantes (carbures...)

possibilité d’obtention de la martensite QC,

métastable et dure, à partir de l’austénite, à la place de la ferrite

(35)

35

Aciers pour la « caisse en blanc » automobile (6/7) Composition chimique

éviter les carbures

aptitude au revêtement par Zn

dureté dureté

stabilité de la phase haute T (austénite) dureté

stabilité de la phase haute T (austénite) soudabilité

(36)

Aciers pour la « caisse en blanc » automobile (7/7) Microstructure

IF DP TRIP

TRIP : ferrite (ductilité)

austénite : se transforme en martensite sous déformation ⇒ ductilité et résistance IF : ferrite pure, sans interstitiels pour un emboutissage régulier

interstitiels (C, N) piégés dans des précipités

DP : ferrite (ductilité) + martensite (résistance) : composite in situ

100 µm

Arcelor R&D 20 µm

ferrite martensite

Arcelor R&D 5 µm

ferrite bainite austénite

M. Radu, ENSMP

(37)

37

Superalliages pour aubes de turboréacteurs (1/7)

www.snecma-moteurs.com

33 à 52 tonnes de poussée (gros porteurs : B777)

GE90 :

soufflante combustion + turbine

Maximum de poussée par kg de moteur augmenter la T en zone chaude

masse : 7 tonnes longueur : 5 m diamètre : 3 m

objectif : T entrée turbine + 10°C par an 0,25 point de rendement thermo

(38)

Superalliages pour aubes de turboréacteurs (2/7) Cahier des charges des aubes de turbine

doc. Snecma Moteurs

résistance à la déformation à haute température

résistance à la corrosion (oxydation)

formabilité (pièces de géométrie complexe) résistance à la fissuration à haute température

disponibilité de la matière

coût raisonnable (achat et maintenance) fiabilité irréprochable

(39)

39

750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

1940 1960 1980 2000

Année

T d’entrée des gaz (°C)

Evolution de la température d’entrée des gaz dans la turbine +50°C tous les 10 ans

comment a-t-on fait ?

doc. ONERA

(40)

750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

1940 1960 1980 2000

Année

Point de départ : solution solide Fe-Ni-Cr durcir avec des éléments d’alliage

1 ksi≈7 MPa

insuffisant

(41)

41

750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

1940 1960 1980 2000

Année

Superalliages pour aubes de turboréacteurs (5/7) Durcir avec une seconde phase : γ’ (Ni₃Al) ordonnée

superalliages base Ni

point faible = joints de grains Ni

Al forte fraction de γ’ ⇒ fonderie

Superalloys II

2 µm Nimonic 105 (1960)

(42)

750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

1940 1960 1980 2000

Année

Superalliages pour aubes de turboréacteurs (6/7) Supprimer les joints de grains ⊥ sollicitation

solidification dirigée

Superalloys II

monocristaux (un seul grain)

Année d’introduction T maxaube (°C)

(43)

43

750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

1940 1960 1980 2000

Année

Superalliages pour aubes de turboréacteurs (7/7) Interposer une barrière thermique entre l’aube et les gaz

accrochage d’une couche de céramique

Zircone

Métal Oxydes mixtes

Zircone

Métal Oxydes mixtes

1 µm

T_gaz > T_fusion de l’aube ! multiperforation : couche d’air « froid »

Superalloys II

(44)

Vitrocéramiques résistantes au choc thermique (1/3) Choc thermique :

fort gradient thermique ⇒ dilatations différentielles

céramiques : élastiques ⇒ fortes contraintes ⇒ risque de rupture brutale Cahier des charges :

très faible dilatation thermique excellente résistance à la corrosion réglage facile des propriétés

par la composition chimique et le traitement thermique Solution : vitrocéramiques mise en forme = comme un verre

produit de grande diffusion ⇒ peu cher mise en forme facile bonne résistance mécanique petits grains

(45)

45

Vitrocéramiques résistantes au choc thermique (2/3)

fusion

mise en forme

germination

croissance

viscosité (poises)

temps

liquide / verre céramisation

mise en forme d’un verre, puis obtention d’une céramique fine

Y.M Chiang, D. Birnie III, W.D. Kingery, 1997

(46)

Vitrocéramiques résistantes au choc thermique (3/3) Microstructure finale : céramique à grains fins

200 nm

supporte votre casserole, froide ou chaude, sans se briser !

Y.M Chiang, D. Birnie III, W.D. Kingery, 1997

(47)

47

Conclusions Des microstructures :

infiniment variées à toutes les échelles d’observation adaptées aux propriétés souhaitées

Des techniques de caractérisation tout aussi variées

choisir les plus adaptées : gagner du temps et réduire les coûts

Quelques exemples... ... parmi bien d’autres !

d’autres exemples seront montrés au fil des cours suivants du (beau) travail par et pour les ingénieurs !