Etude par spectroscopie mécanique et microscopie électronique en transmission de la stabilité thermique

Van De Moortele Bertrand Maurice Jacques

Description

Chapitre 1 : Introduction CHAPITRE 1 Introduction 1.1 Contexte de cette étude Les historiens ont depuis longtemps nommé les périodes historiques par le nom du matériau qui, à cette époque, a accompagné l'évolution de l'humanité (âge de bronze : 1800-700 avant J.C., âge de fer : 700-52 avant J.C,...). Cette démarche souligne l'importance de la découverte d'un matériau, puisque celle-ci permet généralement d'ouvrir la voie à de nouvelles applications techniques qu’il n'était pas possible d'envisager auparavant. La découverte du bronze a permis, par exemple, le développement d'objets comme des épingles, bracelets, colliers et premières fibules, mais aussi de nouvelles armes telles que des haches, des poignards, des hallebardes ou des épées dans un premier temps. Les civilisations maîtrisant ce matériau ont été par la suite dépassées par celles qui ont appris à maîtriser ce qui était à l'époque un nouveau matériau : le fer. Actuellement, l'enjeu de la science des matériaux ne semble pas aussi important. Néanmoins, de nombreuses recherches sont menées afin de développer de nouveaux matériaux dans l'espoir d'applications futures. Généralement, la découverte d'un nouveau matériau se fait au détour d'une recherche générale exploratoire. Il est alors nécessaire d'entreprendre une caractérisation complète du matériau pour en connaître toutes les caractéristiques qui détermineront son champ d'application futur. La découverte des verres métalliques dans ...

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Extrait

CHAPITRE 1

Chapitre 1 : Introduction

Introduction 1.1 Contexte de cette étude Les historiens ont depuis longtemps nommé les périodes historiques par le nom du matériau qui, à cette époque, a accompagné l'évolution de l'humanité (âge de bronze : 1800700 avant J.C., âge de fer : 70052 avant J.C,...). Cette démarche souligne l'importance de la découverte d'un matériau, puisque celleci permet généralement d'ouvrir la voie à de nouvelles applications techniques qu’il n'était pas possible d'envisager auparavant. La découverte du bronze a permis, par exemple, le développement d'objets comme des épingles, bracelets, colliers et premières fibules, mais aussi de nouvelles armes telles que des haches, des poignards, des hallebardes ou des épées dans un premier temps. Les civilisations maîtrisant ce matériau ont été par la suite dépassées par celles qui ont appris à maîtriser ce qui était à l'époque un nouveau matériau : le fer. Actuellement, l'enjeu de la science des matériaux ne semble pas aussi important. Néanmoins, de nombreuses recherches sont menées afin de développer de nouveaux matériaux dans l'espoir d'applications futures. Généralement, la découverte d'un nouveau matériau se fait au détour d'une recherche générale exploratoire. Il est alors nécessaire d'entreprendre une caractérisation complète du matériau pour en connaître toutes les caractéristiques qui détermineront son champ d'application futur. La découverte des verres métalliques dans les années 60 et leur développement au cours des années 7080 ont donné lieu à de nombreuses études portant principalement sur les propriétés physiques (calorimétrie, résistivité,..). A cette époque les échantillons qui étaient produits l'étaient sous la forme de rubans d'une épaisseur de 20 à 30µm ce qui permettait assez peu d’espoir d’application. Depuis la fin des années 80, de nouvelles compositions ont permis d’aboutir à des échantillons massifs, élargissant ainsi le champ d’application de tels matériaux. Ainsi par exemple, la caractérisation des propriétés mécaniques a montré que les verres métalliques possèdent une bonne résistance mécanique alliée à une ténacité élevée, figure 1.1 qui est un diagramme d’élasticité en fonction de la ténacité d’après Ashby [Ash2001] pour différentes classes de matériaux. Une autre propriété intéressante des verres métalliques, et des matériaux amorphes en général, est de pouvoir être mis en forme à relativement basse température par rapport à la température de fusion. Ainsi, le verre de silice porté à une température proche de 800°C peut être mis en forme relativement facilement. Dans le cas des verres métalliques, la mise en forme peut également s’effectuer aisément à une température appropriée, mais, comme nous le verrons tout au long de ce mémoire, cette montée en température entraînera une déstabilisation du matériau conduisant à une cristallisation plus ou moins tardive selon les compositions des alliages, faisant perdre alors à ces matériaux toutes les qualités que lui conférait l’état amorphe.

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Figure 1.1 : carte représenatnt la ténacité en fonction de la limite élastique pour différentes familles de matériaux. Les verres métalliques son représentés par le point rouge.

Une meilleure compréhension des phénomènes menant à cette cristallisation devrait permettre à terme l'amélioration de la stabilité à la température des verres métalliques. Mais, pour cela il est nécessaire de s’intéresser plus particulièrement aux évolutions de la microstructure qui aboutissent à la cristallisation de la matrice amorphe. Ce travail s'inscrira donc dans une démarche de caractérisation mais également dans une perspective plus globale de compréhension de l’évolution des propriétés mécaniques au regard des évolutions microstructurales. Cette thématique, relation microstructurepropriétés mécaniques, est l’axe principal de recherche du laboratoire Groupe d'Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (GEMPPM) dans lequel s’est effectué ce travail. Plus particulièrement au sein du laboratoire, le groupe d'étude Polymères, Verres et Matériaux Hétérogènes (PVMH) se consacre depuis de nombreuses années à l'étude de ces relations propriétés mécaniquesmicrostructure dans les matériaux amorphes. Des travaux menés sur des polymères amorphes (PMMA, PET,..), des verres de silice ainsi que d'autres matériaux amorphes ont permis de dégager des concepts physiques généraux sur la déformation des matériaux noncristallins. Ces concepts ont été formalisés dans le modèle de Perez et al.[Per1988] qui décrit le comportement mécanique dans les domaines linéaires et nonlinéaires des matériaux amorphes pour une large gamme de température autour de la température de transition vitreuse. Dans cette approche, aucune restriction n’est faite sur la nature du matériau amorphe étudié. Aussi apparaîtil naturel de transférer les concepts développés par ce modèle dans les polymères amorphes, vers les alliages métalliques amorphes. Ceci nous permettra de comparer le comportement mécanique expérimental des verres métalliques à celui prédit par le modèle de Perez et al.

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1.2 Objectifs de cette étude Comme nous venons de l’évoquer brièvement, les verres métalliques sont des matériaux particulièrement hors d’équilibre et une température trop élevée les mènera à la cristallisation. Aussi cette étude aura deux objectifs bien distincts. Dans un premier temps, nous étudierons les propriétés de ces matériaux à l’état amorphe. En particulier, nous insisterons sur l’évolution des propriétés mécaniques avec la température afin de déterminer les comportements viscoélastique et viscoplastique de ce type de matériau amorphe. Dans un second temps, nous aborderons la phase de déstabilisation de l’état amorphe. Comme dans de nombreuses études, nous mettrons en évidence cet aspect par des méthodes de mesures globales des propriétés du matériau (calorimétrie différentielle à balayage, pouvoir thermoélectrique). Bien que l'élaboration d'alliages permettant d'obtenir des alliages métalliques amorphes montre l'importance de la composition chimique, nous verrons que relativement peu d'études sur la décomposition et la cristallisation des verres métalliques se préoccupent de cet aspect. Aussi la microscopie électronique en transmission (imagerie, nanoanalyse, nanodiffraction) nous a semblée un bon moyen technique d'investigation pour apporter de nouvelles informations. Cette approche sera particulièrement bien adaptée pour mettre en évidence l’existence d’une décomposition chimique qui s’opère dans certains alliages avant la cristallisation. Ceci nous permettra également de nous replacer dans l'approche traditionnelle du laboratoire, "relation propriétés mécaniquesmicrostructure ", puisque nous tenterons d’interpréter l’évolution des propriétés mécaniques au regard des évolutions microstructurales. 1.3 Plan de l'exposé Ce travail s'articulera donc en quatre parties : Dans une première partie, nous tenterons de situer ce travail dans une double perspective à savoir matériau amorphe et verre métallique. Pour cela, nous ferons quelques rappels sur la notion de transition vitreuse et nous présenterons différentes approches qui ont été développées pour modéliser la déformation des matériaux amorphes. Puis nous présenterons à travers divers exemples choisis dans la littérature l'évolution des verres métalliques avec la température. En particulier, nous insisterons sur le fait que peu d'informations sont disponibles sur l'aspect microstructural. Les techniques expérimentales utilisées ainsi que les différentes compositions d’alliages étudiés seront détaillées dans une deuxième partie. La troisième partie sera consacrée à l'étude de l'état amorphe. Après avoir mis en évidence la présence de phases cristallines dans les échantillons bruts, ainsi que les conséquences lors d'essais de traction à froid, nous étudierons les effets réversibles qui existent autour de la température de transition vitreuse. Puis nous aborderons la caractérisation de propriétés mécaniques en présentant les résultats, d'une part de spectroscopie mécanique qui porte sur la déformation linéaire et d'autre part, des essais de

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compression à chaud qui concernent les effets nonlinéaires. Les résultats obtenus nous amèneront à dégager les similitudes et les différences entre le comportement des verres métalliques et celui d'autres matériaux amorphes. Pour conclure ce chapitre, nous présenterons la modélisation des courbes du comportement mécanique faites à partir du modèle de Perez et al. Nous montrerons en particulier que l'accord avec les courbes expérimentales est plus que satisfaisant pour la spectrométrie mécanique. Dans une dernière partie, nous étudierons le stade de cristallisation des verres métalliques. La caractérisation par calorimétrie différentielle à balayage et par pouvoir thermoélectrique permettra de sélectionner une température et des temps de traitement qui nous apparaîtront comme significatifs de l'évolution de la cristallisation. La microscopie électronique en haute résolution permettra de mettre en évidence la formation dans les stades les plus précoces de cristaux d'une taille de 2 à 4nm. Les analyses chimiques par sonde nanométrique montreront que ces premières nanoparticules sont principalement enrichies en titane et appauvries en zirconium. Nous verrons que cette cristallisation est probablement issue d'une séparation de phase ou démixtion. Dans cette même partie, nous porterons un regard critique avec l'éclairage des résultats de microscopie électronique sur l'évolution des propriétés mécaniques des verres métalliques au cours des traitements thermiques. Enfin nous terminerons en résumant dans une conclusion les points marquants de cette étude. Nous ferons également quelques propositions sur les extensions de ce sujet qui pourraient faire l'œuvre de futurs travaux de recherche.

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