Microstructure

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

La microstructure à des échelles inférieures à celles visibles au microscope optique est souvent appelée nanostructure , tandis que la structure dans laquelle les atomes individuels sont agencés est appelée structure cristalline . La nanostructure des spécimens biologiques est désignée sous le terme d'ultrastructure .

L'influence de la microstructure sur les propriétés mécaniques et physiques d'un matériau est principalement déterminée par les différents défauts présents ou absents de sa structure. Ces défauts peuvent prendre de nombreuses formes, mais les principaux sont les pores. Si ces pores jouent un rôle essentiel dans la définition des caractéristiques d'un matériau, sa composition l'est tout autant. En effet, pour de nombreux matériaux, différentes phases peuvent coexister. Ces phases possèdent des propriétés distinctes et, si elles sont correctement gérées, peuvent prévenir la rupture du matériau.

Le concept de microstructure est observable dans les caractéristiques macrostructurelles d'objets courants. L'acier galvanisé , comme le revêtement d'un lampadaire ou d'un séparateur de voie, présente une mosaïque de couleurs non uniformes, composée 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 sous-jacent. Le zinc et le plomb sont deux métaux courants qui forment de gros cristaux (grains) visibles à l'œil nu. Les atomes de chaque grain sont organisés selon l'un des sept arrangements d'empilement tridimensionnels ou réseaux cristallins (cubique, tétraédrique, hexagonal, monoclinique, triclinique, rhomboédrique et orthorhombique). L'orientation des matrices diffère entre les cristaux adjacents, ce qui entraîne une variation de la réflectivité de chaque face visible 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, invisibles à l'œil nu. Ceci permet d'accroître la résistance du matériau (voir renforcement Hall-Petch ).

Pour quantifier les caractéristiques microstructurales, il est nécessaire de caractériser à la fois la morphologie et les propriétés du matériau. Le traitement d'images est une technique robuste pour la détermination de caractéristiques morphologiques telles que la fraction volumique , la morphologie des inclusions , les vides et l'orientation cristalline. Pour acquérir des micrographies, on utilise couramment la microscopie optique et électronique. Pour déterminer les propriétés du matériau, la nanoindentation est une technique robuste permettant de déterminer des propriétés à l'échelle micrométrique et submicrométrique, pour lesquelles les essais conventionnels ne sont pas applicables. Les essais mécaniques conventionnels, tels que les essais de traction ou l'analyse mécanique dynamique (DMA), ne fournissent que des propriétés macroscopiques, sans aucune indication sur les propriétés microstructurales. Cependant, la nanoindentation peut être utilisée pour la détermination des propriétés microstructurales locales de matériaux homogènes et hétérogènes . Ces propriétés peuvent ensuite être utilisées pour élaborer divers autres modèles stochastiques

La génération de microstructures est également connue sous le nom de reconstruction stochastique de microstructures. Des microstructures simulées par ordinateur sont générées afin de reproduire les caractéristiques microstructurales de microstructures réelles. Ces microstructures sont qualifiées de synthétiques. Elles servent à déterminer les caractéristiques microstructurales importantes pour une propriété donnée. Afin de garantir l'équivalence statistique entre les microstructures générées et les microstructures réelles, les microstructures sont modifiées après leur génération pour correspondre aux statistiques d'une microstructure réelle. Cette procédure permet de générer un nombre théoriquement infini de microstructures simulées par ordinateur qui sont statistiquement identiques (mêmes statistiques) mais stochastiquement différentes (configurations différentes).

La présence d'un pore dans une microstructure, sauf si elle est recherchée, constitue un inconvénient pour les propriétés du matériau. En effet, dans la quasi-totalité des matériaux, un pore est le point de départ de la rupture. Il s'agit du point d'amorçage des fissures. De plus, un pore est généralement très difficile à éliminer. Les techniques décrites ultérieurement impliquent un traitement à haute température. Cependant, même ces traitements peuvent parfois agrandir le pore. Les pores à nombre de coordination élevé (entourés de nombreuses particules) ont tendance à croître lors du traitement thermique. Ceci est dû à la conversion de l'énergie thermique en une force motrice pour la croissance des particules, ce qui induit la croissance du pore, car le nombre de coordination élevé empêche la croissance vers le pore. Pour de nombreux matériaux, leur diagramme de phase montre que plusieurs phases peuvent coexister. Ces différentes phases peuvent présenter des structures cristallines différentes, et donc des propriétés mécaniques différentes. De plus, ces différentes phases présentent également une microstructure différente (taille et orientation des grains). Cela peut également améliorer certaines propriétés mécaniques, car une déviation de la fissure peut se produire, repoussant ainsi la rupture finale en créant un chemin de fissure plus tortueux dans la microstructure plus grossière.

Dans certains cas, une simple modification du procédé de fabrication peut influencer la microstructure du matériau. L'alliage de titane TiAl6V4 en est un exemple. Sa microstructure et ses propriétés mécaniques sont améliorées grâce à la fusion sélective par laser (SLM), une technique d'impression 3D utilisant de la poudre et la fusion des particules à l'aide d'un laser de haute puissance. Parmi les autres techniques conventionnelles d'amélioration de la microstructure figurent les procédés thermiques. Ces procédés reposent sur le principe qu'une augmentation de température induit la réduction, voire la disparition, des pores. Le pressage isostatique à chaud (PIC) est un procédé de fabrication utilisé pour réduire la porosité des métaux et augmenter la densité de nombreux matériaux céramiques . Il améliore ainsi les propriétés mécaniques et l'usinabilité du matériau. Le procédé PIC consiste à exposer le matériau souhaité à une pression de gaz isostatique et à une température élevée dans une enceinte étanche (haute pression). Le gaz utilisé est généralement de l'argon. Ce gaz doit être chimiquement inerte afin d'éviter toute réaction avec l'échantillon. La pression est obtenue par simple application de chaleur à l'enceinte hermétiquement fermée. Cependant, certains systèmes associent également un pompage de gaz au procédé pour atteindre le niveau de pression requis. La pression appliquée sur les matériaux est uniforme et provient de toutes les directions (d'où le terme « isostatique »). Lors du traitement des pièces moulées par 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 soudage par diffusion ; ce procédé améliore la résistance à la fatigue du composant.