Microstructure - Microstructure

La métallographie permet au métallurgiste d'étudier la microstructure des métaux.
Une micrographie de bronze révélant une structure dendritique coulée
Microstructure Al - Si

La microstructure est la structure à très petite échelle d'un matériau, définie comme la structure d'une surface de matériau préparée telle que révélée par un microscope optique à un grossissement supérieur à 25x. La microstructure d'un matériau (comme les métaux , les polymères , les céramiques ou les composites ) peut fortement influencer les propriétés physiques telles que la résistance, la ténacité, la ductilité, la dureté, la résistance à la corrosion, le comportement à haute/basse température ou la résistance à l'usure. Ces propriétés régissent à leur tour l'application de ces matériaux dans la pratique industrielle.

La microstructure à des échelles plus petites que celles qui peuvent être visualisées avec des microscopes optiques est souvent appelée nanostructure , tandis que la structure dans laquelle les atomes individuels sont disposés est connue sous le nom de structure cristalline . La nanostructure des spécimens biologiques est appelée ultrastructure . L'influence d'une microstructure sur les propriétés mécaniques et physiques d'un matériau est principalement régie par les différents défauts présents ou absents de la structure. Ces défauts peuvent prendre plusieurs formes, mais les principaux sont les pores. Même si ces pores jouent un rôle très important dans la définition des caractéristiques d'un matériau, sa composition aussi. En effet, pour de nombreux matériaux, différentes phases peuvent coexister. Ces phases ont des propriétés différentes et, si elles sont gérées correctement, peuvent empêcher la rupture du matériau.

Méthodes

Le concept de microstructure est observable dans les caractéristiques macrostructurales des objets courants. L' acier galvanisé , tel que le boîtier d'un lampadaire ou d'une séparation de route, présente un patchwork de couleur non uniforme de polygones imbriqués de différentes nuances de gris ou d'argent. Chaque polygone est un monocristal de zinc adhérant à la surface de l'acier en dessous. Le zinc et le plomb sont deux métaux communs qui forment de gros cristaux (grains) visibles à l'œil nu. Les atomes de chaque grain sont organisés dans l'un des sept arrangements d'empilement 3D ou réseaux cristallins (cubique, tétraédrique, hexagonal, monoclinique, triclinique, rhomboédrique et orthorhombique). La direction d'alignement des matrices diffère entre les cristaux adjacents, ce qui entraîne une variation de la réflectivité de chaque face présentée des grains imbriqués sur la surface galvanisée. La taille moyenne des grains peut être contrôlée par les conditions de traitement et la composition, et la plupart des alliages sont constitués de grains beaucoup plus petits non visibles à l'œil nu. Il s'agit d'augmenter la résistance du matériau (voir Renforcement Hall-Petch ).

Caractérisations de la microstructure

Pour quantifier les caractéristiques microstructurales, les propriétés morphologiques et matérielles doivent être caractérisées. Le traitement d'images est une technique robuste pour la détermination de caractéristiques morphologiques telles que la fraction volumique, la morphologie des inclusions, les orientations des vides et des cristaux. Pour acquérir des micrographies, la microscopie optique ainsi que la microscopie électronique sont couramment utilisées. Pour déterminer la propriété du matériau, la nanoindentation est une technique robuste pour la détermination des propriétés au niveau micron et submicronique pour lesquelles les tests conventionnels ne sont pas réalisables. Les tests mécaniques conventionnels tels que les tests de traction ou l'analyse mécanique dynamique (DMA) ne peuvent renvoyer que des propriétés macroscopiques sans aucune indication de propriétés microstructurales. Cependant, la nanoindentation peut être utilisée pour déterminer les propriétés microstructurales locales de matériaux homogènes et hétérogènes. Les microstructures peuvent également être caractérisées à l'aide de modèles statistiques d'ordre élevé à travers lesquels un ensemble de propriétés statistiques complexes sont extraites des images. Ensuite, ces propriétés peuvent être utilisées pour produire divers autres modèles stochastiques.

Génération de microstructures

Des microstructures simulées par ordinateur sont générées pour reproduire les caractéristiques microstructurales des microstructures réelles. De telles microstructures sont appelées microstructures synthétiques. Les microstructures synthétiques sont utilisées pour étudier quelle caractéristique microstructurale est importante pour une propriété donnée. Pour assurer l'équivalence statistique entre les microstructures générées et réelles, les microstructures sont modifiées après génération pour correspondre aux statistiques d'une microstructure réelle. Une telle procédure permet de générer un nombre théoriquement infini de microstructures simulées par ordinateur qui sont statistiquement les mêmes (ont les mêmes statistiques) mais différentes stochastiquement (ont des configurations différentes).

Une microstructure simulée par ordinateur de matériaux composites

Influence des pores et de la composition

Un pore dans une microstructure, à moins qu'on ne le souhaite, est un inconvénient pour les propriétés. En fait, dans presque tous les matériaux, un pore sera le point de départ de la rupture du matériau. C'est le point d'amorçage des fissures. De plus, un pore est généralement assez difficile à éliminer. Ces techniques décrites plus loin impliquent un procédé à haute température. Cependant, même ces processus peuvent parfois rendre le pore encore plus gros. Les pores avec un grand nombre de coordination (entourés de nombreuses particules) ont tendance à se développer pendant le processus thermique. Ceci est dû au fait que l'énergie thermique est convertie en une force motrice pour la croissance des particules qui induira la croissance du pore car le nombre de coordination élevé interdit la croissance vers le pore. Pour de nombreux matériaux, on peut voir à partir de leur diagramme de phase que plusieurs phases peuvent exister en même temps. Ces différentes phases peuvent présenter une structure cristalline différente, présentant ainsi des propriétés mécaniques différentes. De plus, ces différentes phases présentent également une microstructure différente (taille de grain, orientation). Cela peut également améliorer certaines propriétés mécaniques car une déviation des fissures peut se produire, poussant ainsi la rupture finale plus loin car elle crée un chemin de fissure plus tortueux dans la microstructure plus grossière.

Techniques d'amélioration

Dans certains cas, le simple fait de changer la façon dont le matériau est traité peut influencer la microstructure. Un exemple est l'alliage de titane TiAl6V4. Sa microstructure et ses propriétés mécaniques sont améliorées à l'aide du SLM (fusion sélective par laser) qui est une technique d'impression 3D utilisant de la poudre et faisant fondre les particules ensemble à l'aide d'un laser haute puissance. D'autres techniques classiques d'amélioration de la microstructure sont les procédés thermiques. Ces processus reposent sur le principe qu'une augmentation de la température induira la réduction ou l'annihilation des pores. Le pressage isostatique à chaud (HIP) est un procédé de fabrication utilisé pour réduire la porosité des métaux et augmenter la densité de nombreux matériaux céramiques . Cela améliore les propriétés mécaniques et la maniabilité du matériau. Le procédé HIP expose le matériau souhaité à une pression de gaz isostatique ainsi qu'à une température élevée dans un récipient scellé (haute pression). Le gaz utilisé au cours de ce processus est principalement de l'argon. Le gaz doit être chimiquement inerte afin qu'aucune réaction ne se produise entre lui et l'échantillon. La pression est obtenue en appliquant simplement de la chaleur au récipient hermétiquement fermé. Cependant, certains systèmes associent également le pompage de gaz au processus pour atteindre le niveau de pression requis. La pression appliquée sur les matériaux est égale et vient de toutes les directions (d'où le terme « isostatique »). Lorsque les pièces moulées sont traitées avec HIP, l'application simultanée de chaleur et de pression élimine les vides internes et la microporosité grâce à une combinaison de déformation plastique, de fluage et de liaison par diffusion ; ce procédé améliore la résistance à la fatigue du composant.

Voir également

Les références

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Liens externes