UPThèses

Les microfils métalliques polycristallins produits par étirage à froid présentent une résistance mécanique significative en faisant des candidats idéaux pour les renforts de composites. Des études antérieures sur des fils de nickel polycristallin pur ont montré une dépendance importante par rapport à la taille de la limite d'élasticité et de la résistance à la traction, ainsi que de la ductilité. Le but de cette étude est de comprendre cet effet de la taille dans les microfils de nickel pur polycristallin par analyse de diffraction des rayons X in-situ (DRX) et simulations de la plasticité cristalline par éléments finis (CPFE). Des essais de traction monotone et cyclique in-situ sous rayonnement synchrotron ont été réalisés sur des microfils de diamètres allant de 100 à 40 μm. Les fils étirés à 100 micromètres obtenus dans le commerce présentent une architecture cœur-coquille avec une texture de fibre <111> dominante dans le cœur et une texture à double fibre hétérogène <111> et <100> dans la coquille. La réduction de la taille de l'échantillon par polissage électrolytique conduit à des fils ayant une microstructure homogène, tandis que la réduction de la taille de l'échantillon par un étirage à froid supplémentaire conduit à des fils avec une texture plus intense tout en conservant l'architecture cœur-coquille. La limite d'élasticité et la résistance à la traction des fils électropolis augmentent avec la diminution du diamètre, tandis que la ductilité diminue avec la réduction du diamètre. Dans le cas des fils étirés à froid, on observe que la limite d'élasticité et la résistance à la traction, ainsi que la ductilité, augmentent avec la diminution du diamètre. L'analyse DRX indique une plasticité successive des familles de grains sous iso-déformation. Nous avons observé que le gradient de la texture du microfil active des mécanismes de déformation qui ne sont pas observés pour les microfils à texture homogène. Pour comprendre l'influence de différents paramètres microstructuraux, notamment l'influence de la texture cristallographique, une microstructure représentative 3D a été générée et des simulations CPFE ont été réalisées. Le comportement simulé moyen des différentes familles de grains (<111>, <100>) concorde bien avec les résultats expérimentaux. La simulation CPFE indique une hétérogénéité du champ de contrainte à travers la microstructure en présence d'un gradient de texture cristallographique. Nous montrons que la micro-texture (texture simple ou double texture) et leur dispersion spatiale (homogène ou architecturée) peuvent être utilisées comme stratégie de conception pour obtenir une microstructure optimale en fonction de l’ensemble désiré de propriétés mécaniques.

L’amélioration de la figure de mérite ZT des matériaux thermoélectriques (TE) est actuellement entreprise via des procédés de métallurgie, tels que la nanostructuration et l’introduction contrôlée de dislocations. De tels niveaux de complexité de microstructure soulèvent la problématique du comportement mécanique associé. En effet, malgré les valeurs de dureté et module d’élasticité connues pour la plupart des matériaux TE, rares sont les données sur les mécanismes de déformation. Portant sur le Half-Heusler Hf0.44Zr0.44Ti0.12CoSb0.8Sn0.2 de type p, notre étude multi-échelle propose de caractériser les mécanismes de déformation de cet alliage. Les expérimentations menées aux échelles macroscopique, mésoscopique, et microscopique sont pensées pour déclencher puis examiner les mécanismes de plasticité. Les tests en compression sur échantillons massifs dans un environnement de pression de confinement et température ont aboutis à une rupture exclusivement fragile. Les mécanismes de rupture sont identifiés comme associés une propagation de fissure intra- et inter granulaire, dépendant de la taille de grain rencontrée par le front de fissure. La méthode « indentation toughness » à l’échelle mésoscopique permet l’insertion de fissures, où les analyses MET en front de fissure confirment une abscence d’activité de dislocations, également confirmé par 3D-EBSD. À l’échelle microscopique, les données de compression de micro-pilliers ainsi que les observations de faciès de fracture sont comparable avec les échantillons massifs. Ces résultats peuvent être utilisés comme guide pour produire des matériaux TE plus résistants à la fissuration.

L’étude des interfaces est omniprésente en sciences des matériaux étant donné qu’elles sont à l’origine de nombreuses propriétés magnétiques, électriques, optiques ou mécaniques. Cette étude tente d’éclaircir le rôle des interfaces dans la définition des propriétés mécaniques des matériaux à travers deux applications industrielles pour lesquels la notion d’interface est cruciale. Tout d’abord, nous nous sommes intéressés à la problématique d’adhésion dans les systèmes revêtus via la caractérisation de la dureté et de la microstructure d’un substrat en acier 17-4PH dont la surface a été sablée avant d’y déposer un revêtement cermet par projection par flamme supersonique. La dureté a été mesurée par nanoindentation alors que les microstructures ont été observées par microscopies optique et électronique. Les résultats ont démontré un effet important du sablage sur la microstructure et la dureté du substrat à l’interface illustrant de potentielles conséquences néfastes sur l’adhésion du film. Ensuite, à la lumière des résultats récoltés, une méthode similaire a été applique à la caractérisation d’une mousse d’aluminium. Cependant, la mousse s’est révélée être un matériau beaucoup plus complexe qui nécessite de suivre une approche multi échelles. La structure et la microstructure de la mousse ont été caractérisées par plusieurs techniques pour prendre en compte la nature multi échelles du matériau. De même, différentes techniques ont été utilisées pour caractériser les propriétés mécaniques. Les résultats ont révélé un matériau particulièrement inhomogène à toutes les échelles se traduisant directement par des propriétés mécaniques également inhomogènes. Ainsi, il y a une interdépendance claire des différentes échelles, qui une fois révélée, permet d’avoir une compréhension plus globale des propriétés mécaniques de la mousse.

Ce travail vise à utiliser des surfaces d'alumine nanostructurées pour guider la croissance et l'organisation de particules métalliques (Ag, Au et AgxAu1-x), et à les tester en tant que substrats SERS-actifs robustes et réutilisables. Nous avons utilisé la spectrophotométrie pour la caractérisation des propriétés optiques résultantes, l'ellipsométrie spectroscopique pour l'extraction des indices optiques et la microscopie électronique en transmission pour les caractérisations structurales. La diffusion Raman exaltée de surface (SERS) a été utilisée pour la détection de molécules de bipyridine adsorbées sur la surface des échantillons, en collaboration avec l’Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes. Nous étudions d'abord des systèmes de nanoparticules monométalliques et bimétalliques afin de comprendre les modes de croissance de telles assemblées. Nous montrons que des arrangements différents de nanoparticules bimétalliques sont obtenus selon la séquence de dépôt utilisée et qu'un alliage est obtenu à l'issue de recuits ex situ sous vide. Les propriétés optiques en champ proche et lointain de nanoparticules d'alliage AgxAu1-x noyées dans une matrice d'Al2O3 sont comparées numériquement à celles des métaux purs, par la méthode de calcul des différences finies dans le domaine temporel. Les résultats indiquent que l’amplification du champ pour les nanoparticules de métal pur est plus élevée que pour les nanoparticules d’alliage. Enfin, les expériences SERS menées sur un système dichroïque de nanoparticules d’Ag plus ou moins couplées montrent que l'on peut obtenir un signal SERS intense avec des nanoparticules recouvertes.

Les mécanismes de déformation plastique des matériaux cubiques à corps centré sont étudiés depuis plus d’un demi-siècle. Il est maintenant bien établi que les dislocations vis contrôlent la plasticité de ces matériaux. Ceci est dû à une structure non-plane du cœur de ces dislocations, qui induit une forte friction de réseau communément appelée ‘pseudo-Peierls’. Le mécanisme supposé est la nucléation thermiquement activée de paires de décrochements. Cette structure de cœur particulière limite également les plans de glissement possibles. Les traces de glissement aux échelles méso et microscopiques apparaissent ‘ondulées’, ce qui a amené à proposer toute une variété de plans de glissement. Dans ce contexte, nous avons analysé à une échelle plus fine, i .e. à l’échelle atomique, les traces de glissement obtenues par déformation en compression de monocristaux de niobium à des températures situées dans le régime de température thermiquement activé: 293 K, 200 K et 90 K. L’analyse par microscopie à effet tunnel sous environnement ultra vide indique qu’à la résolution atomique chaque trace de glissement peut être décomposée en segments associés à des plans de type {112} et {110}. De manière surprenante, il est mis en évidence qu’à 293 K et 200 K du glissement se produit à la fois dans le sens maclage et antimaclage. De plus, toutes les traces de glissement impliquent du glissement sur des plans de type {110}, étayant ainsi la structure de cœur compact prévue par simulations atomistiques ab initio. L’étude in situ de la surface sous contrainte, à T = 293 K et 200 K, a aussi mis en évidence des réorganisations, voire des disparitions, de terrasses atomiques au voisinage de dislocations émergentes. Le calcul des forces d’interaction en élasticité linéaire isotrope montre que les dislocations proches de ces terrasses ne jouent pas de rôle prépondérant sur la position d’équilibre des terrasses. En revanche, celles-ci modifient localement le potentiel chimique de surface, favorisant la diffusion atomique à l’origine des réorganisations de surface constatées expérimentalement.

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau qui est considéré comme un semi-conducteur à large bande interdite ou une céramique suivant ses applications en microélectronique ou comme matériau nucléaire. Dans ces deux domaines d'application les défauts générés par l'implantation/irradiation d'ions (dopage, matériau de structure) doivent être contrôlés. Ce travail est une étude des défauts générés par l'implantation de gaz rares suivant les conditions d'implantation (fluence et température). La déformation élastique a plus particulièrement été étudiée dans le cas d'implantation de xénon à des températures pour lesquelles la recombinaison dynamique empêche la transition amorphe. Un modèle phénoménologique basé sur le recouvrement des cascades a été proposé pour comprendre l'évolution de la déformation maximale avec la dose. Des observations complémentaires en particulier par microscopie électronique à transition nous ont permis de préciser la nature des défauts créés et d'étudier leur évolution sous recuit. La formation de cavités a été observée pour des conditions sévères d'implantation/recuit ; ces cavités sont de nature différente (vide ou pleine) suivant la répartition du xénon. Cette étude est également reliée aux propriétés de gonflement sous irradiation, gonflement qui doit être anticipé dans les domaines d'application du SiC.

Depuis quelques dizaines d'années, l'élaboration de matériaux nanostructurés tend de plus en plus à se développer. En effet, ces matériaux présentent souvent des propriétés intéressantes et en particulier des propriétés mécaniques surprenantes vis-à-vis de leurs homologues sous forme massive. Les métaux nano-maclés ou nano-lamellaires par exemple, sont connus pour avoir une bonne résistance mécanique, une bonne stabilité thermique et une excellente résistance aux radiations. Au fur et à mesure que l'espacement entre les interfaces diminue, leur densité augmente de manière significative et les propriétés macroscopiques du matériau sont de plus en plus dépendantes des interactions défaut-interface. Dans ce contexte, nous avons étudié, via des simulations atomistiques, la formation de macles de déformation et les mécanismes d'interaction d'une macle nouvellement formée avec une interface préexistante (un joint de macle ou une interface entre 2 métaux), pour une configuration modèle de film mince auto-supporté. Des premiers résultats montrent l'influence de marches de surface sur le maclage, pour un cas modèle sans interface. Puis nous avons identifié un mécanisme inédit aboutissant à la formation d'une dislocation de Lomer suite à l’interaction d'une macle en formation avec un joint de macle préexistant. En faisant varier la densité de défauts de surface, nous montrons l'influence particulière d'un joint de macle sur la taille et le nombre de macles formées. Enfin, pour les systèmes bimétalliques Cu/Ag, nos résultats mettent en évidence le rôle des dislocations d'épitaxie (à l'interface) dans la nucléation et l'extension des macles ainsi qu'une influence directe du type d'interface considéré sur la propagation de ces macles.

Lorsqu'un solide est en contact avec un liquide, des phénomènes physico-chimiques conduisent à polariser l'interface. Deux zones de charge, de signe opposé, apparaissent à cette interface, une dans le solide et l'autre dans le liquide, formant ainsi la double couche électrique (DCE). Par rapport à la littérature existante, l’originalité de ce travail est de s’intéresser à la DCE à l’interface acier inoxydable 304L /film passif d’oxyde/ solution de NaCl (0.01M) en couplant des caractérisations électrochimiques, électriques et physiques. Une méthodologie de caractérisation par voie électrochimique en utilisant les méthodes de spectroscopie d’impédance (SIE) et de voltammétrie cyclique (CV) a été mise au point pour accéder à deux paramètres: la capacité effective et la densité surfacique de charge. Des modifications de la concentration de l'électrolyte, du potentiel appliqué et de l'état de surface ont ensuite été réalisées : la capacité effective de la DCE dépend principalement de la concentration et du potentiel et la densité surfacique de charge croît avec la concentration. Dans la gamme étudiée, la rugosité a une faible influence sur la capacité effective mesurée. Des analyses physico-chimiques de la surface ont permis de caractériser les films passifs formés sur l'acier, sans révéler de différences significatives entre les surfaces avant et après immersion. Un autre paramètre caractéristique de la DCE, la densité volumique de charge à la paroi, a été aussi déterminé par la méthode d'électrisation par écoulement du liquide. Les 3 méthodes de caractérisation (SIE, CV et électrisation) confirment l'influence de la concentration sur les caractéristiques de la DCE.

L'allègement des structures est devenu un enjeu majeur pour les industries du transport. Afin de répondre à cette demande, une stratégie de recherche d'élaboration de nouveaux matériaux, présentant des propriétés spécifiques égalant a minima les propriétés des matériaux en service, a été mise en place. C'est dans ce contexte général que s'inscrivent ces travaux sur la phase MAX Ti3AlC2. La tenue à l'oxydation et les propriétés en traction et en fluage traction à haute température (800-1000°C) ont été évaluées pour des échantillons élaborés au cours de cette étude par métallurgie des poudres (frittage naturel + frittage flash). Les différents essais menés en oxydation ont montré l'existence de deux comportements (oxydation passivante ou catastrophique suivant la nature des oxydes formés) majoritairement contrôlés par les caractéristiques microstructurales des échantillons (taille de grains, nature des éléments en site A, rugosité et porosité). Les premiers essais de fluage traction réalisés sur la phase MAX Ti3AlC2 ont souligné la bonne ductilité de ces matériaux. De plus, les propriétés spécifiques sont comparables, voire dépassent, celles de superalliages polycristallins et d'aluminures de titane. Une étude multi-échelle a mis en évidence une déformation se produisant par glissement aux joints de grains à 900 et 1000°C et par mouvement de dislocations à 800°C. Un endommagement de type cavitation accompagné par des phénomènes d'oxydation de fissures en surface des fûts a été mis en lumière.

Des matériaux composites à matrice Al renforcée par des particules d'alliage ω-Al7Cu2Fe ont été synthétisés par frittage flash à partir de poudre icosaédrique i-Al-Cu-Fe et de poudre d'aluminium. La transformation de phase de i-Al-Cu-Fe en ω-Al-Cu-Fe est étudiée à partir d'analyses d'échantillons modèles à interface plane. Les résultats montrent que la transformation de phase s'accompagne de la formation d'une phase liquide et de l'apparition de composés AlCu et Al2Cu. Elle met en jeu la diffusion des trois éléments cuivre, aluminium et fer. Parallèlement, la matrice Al s'enrichit en cuivre. La microstructure complexe finale dépend de la porosité initiale. Les composites Al/ω-Al-Cu-Fe ont été déformés par compression à vitesse imposée, entre 273 et 823 K. L'évolution de la contrainte d'écoulement avec la température met en évidence deux régimes de déformation plastique. L'analyse microstructurale, par microscopie électronique en transmission, révèle la présence de précipités ϴ'-Al2Cu dans la matrice Al. L'évolution de cette microstructure avec la température est discutée conjointement à l'évolution de la contrainte d'écoulement. La déformation plastique du composite se situant essentiellement dans la matrice, une caractérisation locale des propriétés mécaniques de cette matrice a été réalisée par nano-indentation. Les courbes force-déplacement montrent des instabilités de déformation plastique. Les analyses chimiques locales mettent en évidence la corrélation entre hétérogénéités chimiques et instabilités mécaniques. Ces résultats sont analysés dans le cadre d'interactions entre dislocations et solutés mobiles.