1Universit de Marne la ValleMatrise de Physique et Applications

Option Matriaux

Les Matriaux mtalliques

J RusteEDF R & D

Les Renardires

2Les matriaux mtalliques

Introduction : quest-ce quun mtal ?I Quelques rappels sur les mtaux

- Proprits des mtaux- Structures

- lectroniques- cristallographiques

- Contraintes et dformationsII Elaboration des mtaux

- un peu dhistoire ( archo-mtallurgie )- introduction la sidrurgie (laboration des fontes et aciers)- laboration de laluminium

III Rappels sur les diagrammes de phasesIV - Le diagramme Fer-CarboneV Les alliages ferreux (aciers)

VI - Les aciers inoxydablesVII Les alliages Fe-NiVIII - Les alliages non ferreuxIX Les traitements thermiquesX Oxydation et corrosion

XI Microstructure et comportement mcaniqueXII - Techniques de caractrisations mcaniques

Visite dun laboratoire de mtallurgie

3BIBLIOGRAPHIE Physique du solide !- C. KITTEL - Physique de ltat solide - Dunod- 5me dition - 1983 - M. BROUSSEAU - Physique du solide, Proprits lectroniques - Masson -1992 - J. CAZAUX - Initiation la physique du solide , exercices comments - Masson 1994 Dislocations !- W. T. READ - Les dislocations dans les cristaux - Dunod 1957 - D. HULL - Introduction to dislocations - Pergamon Press - 1968 Matriaux !- M.F. ASHBY, D.R.H. JONES - Matriaux - Dunod 1996 tome 1 Proprits et applications tome 2 Microstructure et mise en forme Mtallurgie - G. CHAUSSIN, G. HILLY - Mtallurgie - Dunod 1966 Tome 1 alliages mtalliques Tome 2 laboration des mtaux- - B. CHALMERS - Mtallurgie physique - Dunod 1963 !- J. PHILIBERT, A. VIGNES, Y. BRECHET, P. COMBRADE - Mtallurgie du minerai au

matriau - Masson 1998 !- J. BARRALIS, G. MAEDER - Prcis de Mtallurgie - AFNOR-Nathan - 1993

4QUEST-CE QUUN METAL ?

Cest un lment qui possde :

- un clat particulier ( lclat mtallique )- une bonne conductibilit thermique et lectrique

structure lectronique

le diamant conduit bien la chaleur mais pas llectricitle graphite est un bon conducteur lectrique mais pas de la chaleurla pyrite de fer a un clat mtallique

mais ce ne sont pas des mtaux !

- de bonnes proprits mcaniques :- duret - tnacit (rsistance au dchirement)- mallabilit- ductilit (tirable)

-lments lectropositifs, formant avec loxygne un ou plusieurs oxydes basiques(difficult dobtenir des mtaux purs ltat naturel)

INTRODUCTION

5Les diffrentes classes de mtaux :

1) les mtaux nobles (Au, Ag, Pt) peu ractifs (non-oxydables)se rencontrent ltat natif (pur) dans la nature

2) les mtaux alcalins (Na, K,) et alcalino-terreux (Mg, Ca..)trs ractifs (en particulier avec les gaz halognes)

remplissage des niveaux s

3) les mtaux de transitions (Ti, Fe, Ni)remplissage des bandes d et chevauchement avec sp

4) Terres rares (lanthanides)(La, Ce) et actinides (Th, U, Pu,)remplissages des couches f

6s d

f

p

mtaux de transition

non-mtaux

gaz halognes

mtaux

mtauxalcalins

mtauxalcalino-terreux terres rares

(lanthanides)

gaz rares

actinides

Les mtaux et Mendeleev

les mtaux sont majoritaires

7Origine des gisements mtalliques terrestres

1re tape : le big-bang : -13,8 milliards dannes (environ)

nuclosynthse primordiale (1 10.000 secondes) :formation du H1, D2, He3, He4 et Li7

2me tape : volution stellaire (-10 milliards dannes)

H

H He

H He

He C

(10 ans)10 (10 ans)8(10 C)8(10 C)

7

Soleil

toiles de taille moyenne (

8H

H He

He C

C Ne, O, Si, Na, Mg, Al, P, S ...

Si Fe

7 10 ans6

500 000 ans

600 ans

1 jour (5 10 C)9

H

He

C+O

O+Ne

Si+SFe

super-novae

toiles massives

formation des lments lourdspar capture de neutrons

(>1,5 M)

exemple : M=25

structure enpelure doignon

M8Ms

naine blanche toile neutrons

trou noir

toile de grande taille (M>1,5Ms)

nuages interstellaire

systmes stellaires

9

10

plantes accrtion

dmixtionmtal-silicate

poussires (Si, O, Fe) chondritesagglomration

chondrite

petites billes (chondres) dolivine et de pyroxnes (silicates de Fe et de Mg)

dans une matrice de silicate

astrodesaccrtion

dmixtionmtal-silicate

fragment du manteau (silicates)

achondritesidrite

fragment du noyau(alliage de Fe-Ni)

3me tape : formation de la terre par accrtion (100 millions dannes)

11

structure de la Terre

Les mtaux lourds se rassemblent au centre, les lments lgers vers la surface

12

(

13

dissolution (eau) !!!! transport !!!! prcipitation !!!! filons et gisements mtallifres

Ressources mtallifres

tat natif : Au, Cu(5%) Ag Pt (mtaux nobles, peu oxydables)

sidral (mtorites) : Fe, Fe-Ni (rares)

Minerais :- Oxydes

Fe2O3 (hmatite) Fe304 (magntite)AlO-OH (bauxite)Cu2O (cuprite) CuCO3(OH3) (malachite)(15%)FeCr2O4 (chromite) .

- SulfuresCu2S (chalcocite) CuFeS2 (chalcopyrite)(80%)ZnS (blende)Fe2S (pyrite)PbS (galne) HgS (cinabre)

5me tape : formation de gisements mtallifres (des millions dannes)

14

Les chelles

I - CARACTERISTIQUES

15

Structure lectronique

structure de bande mtallique : le niveau de Fermi est lintrieur de la bande de conduction

structure de bande dans la thorie de llectron libre

sphre de Fermicomprise dans la 1re zone

de Brillouin

les lectrons de valence sont libres dans un puit de potentiel

16

Pas tout fait exact car le potentiel est modul par les ions

4eV

2s

mtaux normaux(alcalins monovalents)

8eV

mtaux normaux(bi et trivalents: Mg, Al)

pseudo-mtaux(trs faible recouvrement des bandes)

de plus il peut y avoir chevauchement de bandes

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mtaux de transition

remplissage de la sous couche d et chevauchement avec la sous couche sp

rpartition des lectrons entre les sous couches

le niveau de Fermi peut tre lintrieur de 3d (mtaux de transition :Cr, Fe, Ni)

ou lextrieur (Cu)

s et p ne forment quune seule bande trs large (>20eV) alorsque la bande d est plus troite (5eV)

Fe : 0,9 lectron 4s et 7,1 lectrons 3dCu : 1 lectron 4s et 10 lectrons 3d

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Consquences :

le ferromagntisme

dans certains mtaux (Fe, Ni) les bandes d correspondant aux 2 orientations de spinsont dcales, do une diffrence dans le nombre dlectrons avec un excs de spindans une direction, do un magntisme rsultant (mtaux ferromagntiques)

Fe

4s+ 4s- 3d+ 3d-0,45 0,45 4,7 2,4

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La couleur de certains mtaux

la plupart des mtaux sont brillant(rflexion totale de la lumire)dautres (Cu, Au) prsente unecouleur rsultant dune absorptionde certaines longueurs donde)Cette absorption est due auxlectrons 3d proches du niveaude Fermi qui peuvent passer dans 4s

20

Notions de cristallographie

cristal : structure priodique datomes ou de molcules 3 dimensions

rseau : ensemble priodique de nuds

cubique 2D hexagonal 2D

maille : plus petite partie du rseau ayant la mme symtrie

motif : groupe minimum datomes plac en chaque nud et qui par duplicationreprsente le cristal

Fer : atome de ferglace : molcule deau

21

structure B2(CsCl, FeAl, NiAl)

rseau cubique

motif : 2 atomes A-B

structure B1(NaCl, PbS) rseau cubique centr

motif : 2 atomes A-B

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Structures cristallographiques

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[uvw] direction cristallographique famille de direction

[100] [010] [001]

24

angle entre les plans (hkl) et (hkl) : 222222 'l'k'hlkh'll'kk'hhcos++++

++=

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exemple dindices de Miller

triclinique

plans (001)famille {100}

plans (101)famille {110}

plans (201)famille {210}

cubique

26

Cas de la structure hexagonale

4 indices de Miller : h, k, i et l avec i=-(h+k)

plan basal

plans prismatiques I et II plans pyramidaux I et II

27

Structure hexagonale :dfinition des diffrentes familles de plans cristallographiques et dessystmes de glissement

28

La plupart des mtaux cristallisent dans un rseau cubique

29

Pour un mtal donnil peut exister plusieurs

formes cristallographiquesdiffrentes

(formes allotropiques)

Fe bcc

Fe fcc

Fe bcc

912C

1394C

1538Cfusion

30

31

32

33

Le taux de remplissage de lespace de la structure bcc est de 68%Celui des structures fcc et hc est de 74% (taux maximum) :

ce sont des structures compactes

Elles ne diffrent que par la successiondes plans cristallographiques

34

structure cfc

observation des diffrentes familles deplans cristallographiques par abrasion successives selon la direction [111] (cfc)et [001] (hc)

structure hc

ABABAB

ABCABCABC

35

36

diverses formes allotropiques

37

Quelques rappels sur les dfauts cristallographiques

Les dfauts ponctuels

lacune : site non occupinterstitiel : atome hors dun siteremplac : atome occupant un autre site

que son site originel

dfaut : - chelle macroscopique : dfaut dhomognit- chelle atomique : d labsence ou au dplacements datomes

ordre 0 (0D) : dfaut ponctuel (lacune et interstitiel)ordre 1 (1D) : dfaut linaire (dislocations)ordre 2 (2D) : surface libre, dfaut planordre 3 (3D) : sgrgations, cavits, fissures, inclusions

38

39

Lorsque latome interstitiel est de grande taille il dforme le rseau et forme avec un atome dun site un dumbbell :les 2 atomes occupent un site cristallin

atome interstitiel de petite taille

40

dfauts ponctuels : diffusion atomique

les diffrents mcanismes

41

42

Les dfauts linaires : les dislocations

dislocation coin

cristal simple

la dislocation est dfinie par son vecteur de Burgers

cristal parfait

cristal imparfait

43

dislocation vis

44

dislocation mixte vis pur

coin pur

!!!! boucle de dislocation

AA : coinAD : visDD : coinDA : vis

45

dislocation coin dans un cubique faces centres :la dislocation se devise en 2 dislocations partielles

cubique simple : 3 vecteurs a[100] (longueur a)

cubique centr : 4 vecteurs (longueur )

cubique faces centres : 6 vecteurs (longueur )

[ ]1112a

[ ]1102a

23a

21a

structure hexagonal compacte

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Mouvement des dislocations

mouvement conservatif (sans dplacement de matire) : glissementmouvement non-conservatif (avec dplacement de matire) : monte

1) Glissement (glide)

Sous leffet dune contrainte applique, la ligne de dislocation peutse dplacer dans un plan ( plan de glissement ou slip plane) etdans une direction particulire.Les plans de glissement sont gnralement des plans de haute densitet les directions, des directions denses.

structure direction de plan deglissement glissement

cfc {111}bcc {110] {112} {123}hc (0001)

quadratique {100} {110}

la structure cubique faces centres possde 4 plans {111} et 3 directions soit 12 systmes de glissement diffrents

47

dislocation coin :le plan de glissement est dfini parle vecteur de Burgers et la ligne dela dislocation

dislocation vis :le vecteur de Burgers et la ligne dela dislocation tant parallles, leplan de glissement nest pas dfinila dislocation vis peut glisser librement

Dans le cas dune dislocation mixtele vecteur de Burgers peut se dcomposer

en une composante coin b1 et une composante vis b2

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La ligne de dislocation xyzw possdedes composantes coin pures (y et w) etdes vis pures (x et z).La dislocation vis nayant pas de plan de glissement associ dfini, elle peut changer de direction lorsquelle rencontre un autre plan de glissement (c et d) Cest le glissement dvi.

3) La monte (climb)dplacement de la dislocation par apport ou perte de matire (par diffusion de lacunes ou dinterstitiels)

Une consquence peut tre lapparition de crans (jogs) sur laligne de dislocation.

)kTU

exp(nn jj ==== 0nombre de cranspar unit de longueur

nombre datomes parsite et unit de longueur

nergie de formationdun cran (1eV)

2) Le glissement dvi (cross-slip)

49

une force F applique au cristal entrane lapparitiondune contrainte de cisaillement rsolue au niveaudu plan de glissement (slip plan):

==== cos.cosAF

Sous leffet de cette contrainte, la dislocation se dplaceentranant une dformation plastique (irrversible) du cristal.

Origine du dplacement

cos.cos est le facteur de Schmidt

(maximum quand = =45, il vaut alors 0,5)

50

Interactions entre dislocations

lorsque 2 dislocations de signe opposayant mme plan de glissement peuvent sannihiler

lorsque 2 dislocations de signe opposmais nayant pas le mme plan de glissement,elles peuvent sannihiler mais en laissantsoit une boucle lacunaire, soit une boucleinterstitielle

51

entre 2 dislocationscoin de vecteurs

parallles

entre 2 dislocationscoin de vecteurs perpendiculaires

entre 2 dislocationsvis

entre une dislocationvis et une dislocation coin

formation de crans par intersectionde lignes de dislocations

52

intersections de 2 dislocations : formation de jonctions

53

Multiplication (sources) de dislocation autour de prcipitssous laction dune contrainte

prcipit

en spirale (ancrage par un prcipit)

source de Franck-Read(ancrage par 2 prcipits)

source de Franck-Readdans le Si

54

Observations de dislocations par microscopie lectronique en transmission

Fe bcc : dislocations bloques dans les valles de Peierls

boucles de dislocations

dislocationset

prcipits

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rupture des liaisons atomiques :

= EIl y aura rupture lorsque 0,25r0

15E*

====limite lastiquethorique

verre silicat : 0,6Ediamant : 0,5EAl2O3, N4Si3 : 0,2Epolymres : 0,05E 0,5E

acier : 0,08Eacier inox : 0,04Eacier doux : 0,01Emtaux purs : 10-6 10-4E

lhypothse dune rupture brutale des liaisons atomiquesdonne une limite lastique trs suprieure aux valeursexprimentales, en particulier pour les matriaux mtalliques(et dautant plus quils sont purs)

thorie des dislocations

Pourquoi les dislocations ?

56

dislocation : moyen le plus simple (en terme nergtique) de dformer le mtal par dplacement dune quantit rduite datomes

similaire :-le dplacement dune chenille

- le dplacement dun tapis

densit de dislocations :- mtal neuf : 100 km/cm3- mtal dform de 10% : 106 km/cm3

dformation plastique et dislocations

57

Une contrainte extrieure applique un cristal :- cartement des atomes (il apparat une force de rappel)- dformation lastique (rversible) tant que r

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Lb.G

P

r

=prcipits :

32Lb.G

B ==r

boucle :

micro-cavit : =+= 2)83,0rr

(lnLb.G

C

CC

rrC : rayon de cur de la dislocationrV : rayon de la micro-cavit

dislo2C

2B

2Ptot +++=

Durcissementpar interactions

dfauts dislocation

G : module de cisaillementb : vecteur de Burger

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Les dfauts plans

- dfaut dempilement

cfc : succession de plans ABCABCABC

reprsentation : """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""

perturbation dans la succession : ABCABABCABC

reprsentation : """""#""""""""""""#""""""""""""#""""""""""""#"""""""

- Joint de macleSous leffet dune contrainte, une partie du rseau se dcale sous la forme dune image miroir

dformation lastique dformation plastique

taux de maclage : s=h/d

"""""#####"""""#####"""""#####"""""#####

structure plan de maclecc {112}

cfc {111}hc {10-12}

60

Microstructure des mtaux

monophase ou multiphase

mtal pur, alliage

solution solide

substitutionordonne

dsordonne

insertion

atomes de petites taille(carbone dans lacier)

diffrentesstructuresordonnes

monocristallin polycristallin

grains(monocristaux)

joints degrains

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monophase ou multiphase

exemple : aciers austnoferritiques ou duplex

rle pouvant tre bnfique ou nfaste

un alliage peut contenir naturellementdes inclusions et des prcipits

alliage multiphas

phases inclusionnaires

inclusions :oxydes, sulfures

- introduites lors de llaboration- insensibles aux traitements thermiques

ont souvent une influence nfaste

prcipits

carbures, borures, nitrures, carbo-borures

M23C6, M7C3, Fe3C

prcipitation ou remiseen solution lors des

traitements thermiques

composs dfinis

Ni3Al ()

62

Structure microscopique des mtaux

Grains observs en microscopieoptique (micrographie)

Prsence de nombreusesinclusions (oxydes) ou prcipits

(carbures, sulfures, nitrures)intergranulaires ou transgranulaires

Structure en grains (petits domaines cristallins de

structure identique mais dorientations diffrentes)

Spars par une surface( joint de grains

Grains observs en microscopielectronique balayage

(surface : joints de grains)Dimension d un grain :

de quelques m quelques mm

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Coupe mtallographique

rupture intergranulaire

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diffrentes tailles de grains

grains en 3D (simulation)prcipits degamma-prime

(Ni3Al)

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Forme des grains

Les proprits du matriau dpendent de la forme et de la taille des grains :

la limite lastique dun acier peut tre double si la taille desgrains est divise par 10dans le cas des nanostructures (grains de lordre de quelques nanomtres)on peut observer une superplasticit

des traitements mcaniques (laminage) ou thermiques (solidification, recristallisation )peuvent modifier la forme et la taille des grains

Le joint de grains reprsente une nergie de surface que le matriaucherchera minimiser

Forme thorique des grains :

3D : ttrakadcadre (octadre corn)2D : hexagones

bulle de savon

2D

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les joints de grains...premire hypothse (abandonne vers les annes 30...) : existence d'un "ciments" pour tenir la cohsion des grains

En fait, le joint (dmontr au dbut des annes 60) est une ligne immatrielle entre 2 grains de structure identique mais d'orientation diffrente

(h ,k ,l )1 1 1

(h ,k ,l )2 2 2

- joints de faible dsorientation(< 10 15)

joint de torsion (vis)

joint de flexion (coin)

la dsorientation entre 2 grains peut tre faible ou importante

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- joints de forte dsorientation (>15)

On peut caractriser un tel joint par le rseau de concidence(CSL) cest dire le rseau form par les atomes des 2 grains qui se superposent (en les imaginant sinterpntrant).

Pour certains angles particuliers on obtient des concidences particulires : les joints

Ces joints correspondent une diminution de lnergielibre du joint

joint 5(rseau cubique)

: indice de concidence (inverse de la fractiondes sites en concidence)

5 36.87

13 22.6217 28.0725 16.2629 43.6137 18.92

rotation dans un rseau

cubique

De tels joints ont t observsexprimentalement :3(111) pour Al (CFC)

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En gnral le joint de grains est une zone trs fortement dsordonneSa densit peut ne reprsenter que 50% de celle du grain

Sa forte densit en dfauts ponctuels (lacunes) et linaires (dislocations)favorise les phnomnes de diffusion (coefficients de diffusion suprieurs de plusieurs ordres de grandeurs ceux en volume), de prcipitation (prcipitation htrogne) et de sgrgations.

La prsence de prcipits (carbures) de sgrgation de soluts (ex P) ou de la diffusiondimpurets (ex corrosion intercristalline) peuvent fragiliser les joints de grains et provoquer des ruptures intergranulaires.

Corrosion intercristalline : dcohsion des grains

69

La texture

Dans un chantillon polycristallin la distribution des orientations cristallines peut tre alatoire.Dans ce cas les caractristiques du matriau sont isotropes

Il arrive frquemment quune anisotropie apparaisse : les caractristiques mcaniques, physiques etc sont diffrentes selon la direction.cette anisotropie peut tre due plusieurs facteurs :

- rpartitions des contraintes internes - sgrgations chimiques des impurets- forme des grains - plus gnralement, orientation non alatoire des grains $$$$ texture

Dans les cristaux cubiques, certaines proprits sont isotropes (et ne dpendent pas de lorientation cristallographique) :

- conductibilit lectrique et thermique- susceptibilit lectrique ou magntique- proprits optiques- dilatation thermique

Dautres sont anisotropes :- proprits lastiques, mcaniques et magntiques- phnomnes de diffraction

exemple : le module dYoung E (=E dans le domaine lastique)

E[111]E[100]

Ni Cu Inox Fe35-Ni65 Mo W Fe Si Ge2,2 2,9 3,0 3,6 0,8 1,0 2,1 1,4 1,5

cfc bcc cd

70

La texture peut avoir des consquences sur le comportement mcanique et sur les proprits lies aux joints de grains (diffusion, sgrgation, fluage)certaines proprits isotropes peuvent devenir anisotropes sous forte texture

La texture peut tre mesure (diffraction des rayons X, EBSD)

Elle est caractrise par les figures de ples :

P

S

ple duplan

plan {hkl}

normale

On trace la normale au plan {hkl} qui coupela sphre en PLa droite SP coupe le plan p en un pointqui reprsente le ple de ce plan.

Chaque famille de plan possde plusieurs normales :3 pour {100}, 4 pour {111} et 6 pour {110}

{100}

{111}

{110}

trois plans {100}

quatre plans {111}

six plans {110}

Figures de plesdune structure cubique

monocristalline

71

Exemple danalyse de texture par EBSD

Texture dun chantillon de nickelOrientation cristalline des grains

image lectronique

image EBSD

Lchelle de couleur reprsente le degr de dsorientation dun grain lautre

(document Synergie4)figures de ples

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Joints de phases

surface sparant deux phases (gnralement un prcipit ou une inclusionet la matrice)

Ce joint peut tre :

cohrent cohrent avec contraintes(pitaxie entre les rseaux cristallographiques)

semi-cohrente(prsence de dislocations)

incohrente

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Courbe de traction

contrainte nominale : n=F/S0

contrainte vraie : =F/S

dformation nominale : n=u/l0

R0 : limite dlasticitRp0,2 : limite dlasticit conventionnelleRm : rsistance la tractionAR(%) : allongement plastique aprs rupture

AR(%)=100 (lrup l0)/l0Z : coefficient de striction

Z=100(S0 Srup)/S0

Comportement mcanique : quelques dfinitions

74

Dformation lastique (rversible)Loi de Hook (