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N° d'ordre : 2164 THESE ____________ présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité : Science et Génie des Matériaux par Simon PERUSIN CONSEQUENCES DE L'OXYDATION HAUTE TEMPERATURE SUR L'INJECTION DE DEFAUTS ET LE COMPORTEMENT MECANIQUE DES MATERIAUX METALLIQUES Soutenue le 17 Novembre 2004 devant le jury composé de : M. G. SAINDRENAN Professeur à l'Université de Nantes Président M. D. DELAFOSSE Professeur à l'E.N.S.M.S.E Rapporteur M. C. COUPEAU Professeur à l'Université de Poitiers Rapporteur Mme. F. PETTINARI-STURMEL Maître de Conférences à l'U.P.S Examinatrice M. T. IUNG Ingénieur Arcelor Research Examinateur M. E. ANDRIEU Professeur à l'I.N.P. Toulouse Directeur de thèse Mme. L. MIGNOT-SCHMIRGELD Ingénieur C.E.A Invitée M. J. FURTADO Ingénieur Air Liquide Invité

  • mignot-schmirgeld ingénieur

  • ingenieur au cea-saclay

  • centre arcelor

  • ingenierie des materiaux de toulouse

  • professeur guy

  • pettinari-sturmel maître de conférences


Publié le : lundi 1 novembre 2004
Lecture(s) : 111
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 105
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N° d'ordre : 2164


THESE
____________


présentée

pour obtenir

LE TITRE DE DOCTEUR
DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE
DE TOULOUSE

Spécialité : Science et Génie des Matériaux

par


Simon PERUSIN



CONSEQUENCES DE L'OXYDATION HAUTE
TEMPERATURE SUR L'INJECTION DE DEFAUTS ET
LE COMPORTEMENT MECANIQUE DES
MATERIAUX METALLIQUES



Soutenue le 17 Novembre 2004 devant le jury composé de :

M. G. SAINDRENAN Professeur à l'Université de Nantes Président
M. D. DELAFOSSE Professeur à l'E.N.S.M.S.E Rapporteur
M. C. COUPEAU Université de Poitiers
meM . F. PETTINARI-STURMEL Maître de Conférences à l'U.P.S Examinatrice
M. T. IUNG Ingénieur Arcelor Research inateur
M. E. ANDRIEU Professeur à l'I.N.P. Toulouse Directeur de thèse

meM . L. MIGNOT-SCHMIRGELD Ingénieur C.E.A Invitée
M. J. FURTADO Ingénieur Air Liquide Invité


Remerciements
Ce travail de th`ese a ´et´e r´ealis´e au sein de l’´equipe M´ecanique - Microstructure - Oxydation
du Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ing´enierie des Mat´eriaux de Toulouse (CIRI-
MAT - UMR 5085, INPT/UPS/CNRS).
Je tiens a` exprimer ma profonde reconnaissance a` Monsieur le Professeur Guy Saindrenan de
l’Ecole Polytechnique de l’Universit´e de Nantes pour avoir assur´e la pr´esidence de mon jury de
th`ese. Mes plus sinc`eres remerciements vont ´egalement `a Messieurs David Delafosse, Professeur
a` l’Ecole des Mines de Saint-Etienne, et Christophe Coupeau, Professeur a` l’Universit´e de Poi-
tiers, qui ont accept´e d’ˆetre rapporteurs de ce travail.
Je remercie ´egalement Madame Florence Pettinari-Sturmel, Maˆıtre de Conf´erences a` l’Univer-
sit´e Paul Sabatier de Toulouse, Madame Lelia Mignot-Schmirgeld, Ing´enieur au CEA-Saclay, et
Monsieur Jader Furtado, Ing´enieur chez AirLiquide, pour avoir accept´e de faire partie de ce jury.
Je suis ´egalement tr`es reconnaissant a` Monsieur Thierry Iung, du centre Arcelor Research,
d’avoir port´e un regard pertinent sur mon travail; sa pr´esence dans le jury fut pour moi un
grand plaisir.
La partie exp´erimentale de ce travail doit beaucoup aux comp´etences techniques de nombreuses
personnes. Je tiens ainsi a` t´emoigner de ma gratitude a` M. Jean-Claude Salabura, v´eritable
G´eo trouve tout de l’´equipe et sans qui une bonne partie des essais m´ecaniques n’aurait pas pu
ˆetre r´ealis´ee. Merci ´egalement `a Jean-Baptiste Deschamps qui a largement particip´e `a la mise
en place des essais, parfois ”explosifs”. Doivent ´egalement ˆetre remerci´e(e)s : Marie-Christine
Lafont (CIRIMAT) pour les analyses en microscopie en transmission, Claude Armand (INSA
Toulouse), sp´ecialiste du SIMS s’il en est, Laurence Ressier (INSA Toulouse), qui m’a initi´e
aux joies de l’AFM et Jean-Pierre Bonino (CIRIMAT), expert en interf´erom´etrie optique.
Je remercie tr`es sinc`erement l’ensemble du personnel du laboratoire (permanents, doctorants,
stagiaires) au sein duquel r`egne une ambiance tr`es chaleureuse. Plus particuli`erement je tiens a`
saluer les docteurs du cru 2004 : V´ero, Nadia et Fred qui ont d´emarr´e et termin´e l’aventure avec
moi. Merci ´egalement aux ”vieux”docteurs : Nathalie, Seb D., Seb C., J´erˆome et aux ”jeunes”
doctorants : Emilie, Mayerling, S´everin.
Merci a` mes amis d’enfance qui, fiers comme moi de leurs origines du Sud-Ouest, ne peuvent
imaginer nos retrouvailles biannuelles que par une r´eunion autour d’une bonne table. Merci `a :
Julien C., Yug, Jeannot, Julien B., Christophe S., Toins et Quentin.
L’adage ”Mens sana in corpore sano” me conduit a` saluer comme il se doit ceux qui comme
imoi sont passionn´es par le ballon ovale et avec qui j’ai pass´e de merveilleuses ann´ees au sein des
clubs que j’ai pu fr´equenter : Christophe, Jojo, Eric, Marc, Brice, Didier, Fabien, Paul, Lionel,
Tine, Alex, Mathieu, Oliv, Yann.
Bien suˆr, au moment ou` j’´ecris ces quelques phrases, je pense a` l’ensemble de mes proches :
merci a` Rhisl`ene, ”celle qui tous les jours partage mon cassoulet” (dixit Renaud S´echan), qui
m’a soutenu dans les moments difficiles et qui, surtout, me permet tous les soirs de sortir de
ma ”bulle scientifique”. Merci ´egalement `a mes parents, a` ma soeur, a` mes grands-parents et `a
ma Nana sans qui rien de tout cela n’aurait ´et´e possible, eux qui depuis 26 ans constituent ma
principale source d’inspiration et qui me t´emoignent de leur amour. Je remercie aussi l’ensemble
des membres de ma future belle-famille : Marie-Odile, Francis B., Francis S., Christian, Sonia,
Mehdi, Noury ainsi que leur prog´eniture.
Enfin, je ne saurais terminer ces remerciements sans rendre hommage aux trois personnes qui
m’ont encadr´e durant ces trois derni`eres ann´ees. Merci donc `a Daniel Monceau qui m’a aid´e a`
”taquiner”la lacune en participant aux nombreuses r´eunions sur ce sujet et qui m’a fait partager
ses nombreuses connaissances en mati`ere d’oxydation a` haute temp´erature et de diffusion. Merci
a` Bernard Viguier sans qui, les quelques articles que j’ai pu publier seraient encore `a l’´etat d’em-
bryons. Il a su aussi m’initier `a de nombreux essais m´ecaniques et les r´eflexions qu’il a pu porter
sur mon sujet ont toujours ´et´e d’une grande richesse. Je n’oublie pas non plus les nombreuses
attentions qu’il a eues `a mon ´egard. Merci enfin `a Eric Andrieu qui a su me remettre en selle
dans les moments difficiles grˆace a` son optimisme permanent. Au cours de ces ann´ees j’ai eu la
chance de b´en´eficier de sa culture scientifique incommensurable mais j’ai ´egalement pu mesurer
combien la dimension humaine ´etait importante dans la relation doctorant - directeur de th`ese.
Merci a` lui pour tout ce qu’il m’a apport´e, je lui en serai ´eternellement reconnaissant.
iiA celle qui tous les jours partage mon cassoulet : Rhisl`ene,
iiiivTable des mati`eres
Table des figures ix
Chapitre I Pr´esentation de l’´etude 1
Chapitre II Revue des connaissances 3
1 Oxydation haute temp´erature - Concepts g´en´eraux . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Concepts de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Cas du nickel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 D´efauts dans la couche d’oxyde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Cin´etique d’oxydation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Morphologie des couches d’oxyde - Cas de la couche duplex . . . 7
1.3 Cas du fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Stabilit´e et nature des diff´erents oxydes . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 M´ecanismes d’oxydation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Cas des alliages nickel - chrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.1 Nature des diff´erents oxydes form´es . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.2 M´ecanismes de croissance des couches d’oxydes . . . . . . . . . . 18
2 Les lacunes dans les m´etaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 Concentrations `a l’´equilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Diffusion des lacunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Production de lacunes m´etalliques a` l’interface m´etal/oxyde - Ph´enom`ene
d’injection de lacunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1 Formation de cavit´es a` l’interface m´etal/oxyde . . . . . . . . . . 27
2.3.2 Annihilation des lacunes `a l’interface m´etal/oxyde . . . . . . . . 28
2.3.3 Injection de lacunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Effetdel’environnementsurlecomportementm´ecaniquedes mat´eriauxm´etalliques 38
3.1 Le ”trou de ductilit´e”des alliages base nickel . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Effet d’une pr´eoxydation sur les propri´et´es m´ecaniques . . . . . . . . . . . 42
3.3 Couplage oxydation - comportement m´ecanique . . . . . . . . . . . . . . . 45
vTable des mati`eres
4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Chapitre III Mat´eriaux et techniques exp´erimentales 51
1 Pr´esentation des mat´eriaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.1 Choix des mat´eriaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.2 Compositions chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.3 Microstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.3.1 Etat de r´eception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.3.2 Etat Recuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2 Techniques exp´erimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.1 Oxydation haute temp´erature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.2 Microscopie ´electronique a` balayage (MEB) . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3 Microscopie ´electronique en transmission (MET) . . . . . . . . . . . . . . 67
2.4 Microscopie a` force atomique (AFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5 Spectrom´etrie de masse des ions secondaires (SIMS) . . . . . . . . . . . . 71
2.5.1 Principe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5.2 Choix des ions primaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.5.3 Analyse en profondeur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.5.4 Pr´eparation des ´echantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.6 Spectrom´etrie de masse a` d´echarge luminescente(GDMS) . . . . . . . . . 77
2.7 Essais de traction - MEB in situ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.7.1 Alliage Ni-20Cr - Machine MTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.7.2 Nickel de haute puret´e - Machine MTF . . . . . . . . . . . . . . 81
2.7.3 MEB in situ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.8 Essais de fluage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.8.1 Caract´eristiques de la machine de fluage . . . . . . . . . . . . . . 84
2.8.2 Proc´edure d’essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Chapitre IV Etude de l’effet de l’oxydation haute temp´erature sur l’´evolution
microstructurale du m´etal 87
1 Cas du nickel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1.1 Echantillons plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1.1.1 Cin´etique d’oxydation - Analyse thermogravim´etrique . . . . . . 89
1.1.2 Morphologie des couches d’oxyde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
1.1.3 Etude de la formation de cavit´es dans le m´etal . . . . . . . . . . 98
vi1.1.4 Oxydation 1 face - Etude de la formation de sillons aux joints de
grains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
1.2 Fils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
1.3 Diffusion de l’oxyg`ene dans le m´etal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
1.3.1 Etat de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
1.3.2 Calculs de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
1.3.3 R´esultats exp´erimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
1.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
1.4.1 Injection de lacunes - Formation de sillons aux joints de grains . 133
1.4.2 Injection de lacunes - Formation et croissance de cavit´es aux
joints de grains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
1.4.3 Transport de l’oxyg`ene par les lacunes . . . . . . . . . . . . . . . 141
2 Cas du fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Chapitre V Interactions environnement-comportement m´ecanique 151
1 Cas du nickel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
1.1 Effet d’une pr´eoxydation sur le comportement m´ecanique du nickel . . . . 154
1.1.1 Propri´et´es m´ecaniques du mat´eriau nu. . . . . . . . . . . . . . . 154
1.1.2 Propri´et´es m´ecaniques du mat´eriau oxyd´e . . . . . . . . . . . . . 158
1.2 Suivi in situ de la fissuration de NiO - MEB in situ . . . . . . . . . . . . . 168
2 Cas de l’alliage Ni-20Cr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
2.1 Essais de traction - Trou de ductilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
2.1.1 Courbes de traction - Effet de l’environnement . . . . . . . . . . 174
2.1.2 Modes d’endommagement et de rupture - Effet de l’environnement177
2.1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
2.2 Essais de fluage - Effet de la mont´ee en charge . . . . . . . . . . . . . . . 184
2.2.1 Mont´ee directe a` 400MPa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
2.2.2 Essais de fluage par paliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
2.2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Chapitre VI Conclusions g´en´erales et perspectives 197
Annexe A Param`etres thermodynamiques de la plasticit´e 201
Annexe B Calculs de diffusion de l’oxyg`ene dans le nickel 203
Annexe C Principe et mise en oeuvre du pack de Rhines 205
viiTable des mati`eres
Annexe D Imagerie SIMS en mode RAE - Cas d’une plaque de nickel (e=1mm)
oxyd´ee 48h `a 1000˚C 207
Bibliographie 217
viiiTable des figures
1 Structures cristallographiques (a) du nickel (structure cfc) et (b) du protoxyde de
nickel (structure de type NaCl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Carte des microstructures de NiO en fonction du temps d’oxydation, de la tem-
p´erature et de l’´epaisseur moyenne de la couche [PER 98] . . . . . . . . . . . . . 8
3 Section transverse montrant la structure duplex d’une couche de NiO obtenue
apr`es un traitement d’oxydation de 15 minutes `a 1000˚C sous air - Nickel de
haute puret´e (99.99%) [KYU 00] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 Formation d’une fissure le long d’un joint de grains de l’oxyde [ATK 88] - D’apr`es
la repr´esentation sch´ematique de Kofstad [KOF 85] . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
5 Dissociation de l’oxyde au-dessus d’une cavit´e situ´ee a` l’interface Ni/NiO et for-
m´ee suite au retrait du m´etal - D’apr`es Mrowec [MRO 67] . . . . . . . . . . . . . 10
6 Repr´esentationsch´ematiquedeladiffusiondel’oxyg`enelelongdesjointsdegrains
de l’oxyde et de la diffusion en volume du nickel pour former un nouvel oxyde le
long des joints de grains - D’apr`es Rhines et al. [RHI 70] . . . . . . . . . . . . . . 11
7 Diagramme de phases Fer - Oxyg`ene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
8 Structures cristallographiques (a) de la wu¨stite (structure de type NaCl) (b) de
la magn´etite (spinelle inverse) et (c) de l’h´ematite α (sym´etrie rhombo´edrique) . 13
9 M´ecanismes d’oxydation du fer pur a` haute temp´erature - D’apr`es Birks [BIR 83a] 14
10 Repr´esentation sch´ematique du m´ecanisme de l’oxydation de l’alliage Ni-20Cr -
D’apr`es Moulin [MOU 77] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
11 Repr´esentation sch´ematique du m´ecanisme de l’oxydation de l’alliage Ni-20Cr -
D’apr`es Pivin [PIV 77] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
12 Morphologie de la couche d’oxydes form´ee sur du feuillard Ni-20Cr (200 μm)
oxyd´e 96 heures `a 700˚C - D’apr`es Calvarin-Amiri [CAL 98] . . . . . . . . . . . . 17
13 Nature et ´epaisseurs des oxydes form´es sur du feuillard Ni-20Cr (200 μm) oxyd´e
sous air `a hautes temp´eratures - D’apr`es Calvarin-Amiri [CAL 98] . . . . . . . . 17
14 Concentrations en lacunes `a l’´equilibre dans le nickel - Calculs effectu´es `a partir
desdonn´eesdeKraftmakher[KRA 98]obtenuesa`latemp´eraturedefusion(1726K) 24
15 Coefficients d’autodiffusion du nickel relev´es dans la litt´erature entre 900 et 1300˚C 26
ix

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