La métallographie est la technique consistant à déterminer la microstructure d'un métal en l'observant avec un microscope optique. On peut déterminer ainsi la nature de la structure, la répartition des phases, la taille des grains et leurs formes, la nature et la teneur des inclusions, la présence d’un éventuel traitement thermique, la direction des lignes de glissement (intersection des plans de glissement avec la surface), dans le cas d'un échantillon déformé (voir les articles sur la déformation plastique et la dislocation) ou encore les traitements de surface. L'observation simple d'un objet métallique ne donne pas de renseignement particulier hormis l'état de surface (aspérités, fissures).
Méthode de préparation Pour avoir des informations sur la microstructure, il faut généralement une préparation soigneuse qui comporte plusieurs étapes. Débitage
L'échantillon est coupé à l'aide d'une scie ou d'une meule. Cette opération doit être faite avec le plus doucement possible en lubrifiant un maximum de telle sorte que l'échantillon ne présente pas d'échauffement ou de déformation qui peut brouiller ou modifier la microstructure et qui donc rend l'échantillon non représentatif de la vraie microstructure de celui-ci.
Ce contrôle étant destructif, il peut être effectué soit sur une pièce de mise au point, soit sur des pièces dites « de dissection ». L'échantillon doit être représentatif du matériau de l'objet qu'il représente. L'objet doit être découpé, afin que l'on puisse le mettre en place sur le microscope, mais aussi pour observer la structure en un endroit voulu. Il peut être utile d’avoir un système de débitage précis, par exemple pour débiter et observer un défaut ou une zone ponctuelle comme de la corrosion, une fissure ou encore un endroit où la mise en forme a affecté la microstructure comme une soudure ou une opération d’usinage.
Toutefois, il faut porter une attention particulière à l'orientation du sectionnement du métal à observer. En effet, comme un cristal peut être grossièrement assimilé à un polyèdre complexe, la forme et les dimensions d'un grain vues sur une micrographie dépendent de l'orientation relative du cristal et du plan de polissage. Il est donc conseillé de faire des coupes des différentes orientations de grains possibles, par exemple, parallèle ou perpendiculaire au sens de laminage, dans le cas d'une pièce issue de laminoir.
Enrobage vignette|Enrobage à froid d’échantillons. Si leur taille et leur géométrie le nécessitent, les échantillons sont enrobés de résine pour faciliter leurs manipulations et obtenir une bonne préparation,
Il est conseillé de nettoyer les échantillons avant de procéder à l’enrobage. Pour que l’adhésion entre la résine et l’échantillon soit la meilleure possible, la surface doit être exempte de toute trace de graisse ou d’autres polluants. Les échantillons doivent avoir une parfaite netteté des bords ou une protection de la surface, par exemple pour mesurer l'épaisseur de couche galvanique.
Un autre détail à prendre en compte est la résistance à la chaleur du matériau. Si l’échantillon est sensible à la température, il vaut mieux opter pour une méthode d’enrobage qui ne dégage pas de chaleur comme les résines à froid.
Prépolissage et polissage On cherche généralement à observer des détails de l'ordre du micromètre (la limite physique due à la diffraction de la lumière étant d'environ ), il faut donc polir l'échantillon pour que les rayures soient plus petites. On utilise successivement pour cela des papiers abrasifs de plus en plus fins, puis on utilise une pâte ou une solution contenant du diamant, de l'alumine ou de la silice ; si les détails sont encore plus petits, on peut recourir à un polissage électrolytique.
Mise en évidence de la microstructure En général, on effectue une attaque chimique de la surface pour révéler la structure, notamment les joints de grains, les phases, les inclusions, etc. On utilise fréquemment des acides forts ou des procédés électrochimiques, dans des conditions telles que la réaction est plus rapide ou plus forte aux joints de grain (en raison de la tension superficielle). Pour révéler la structure, on peut aussi utiliser une oxydation anodique : si la couche d'oxyde croît de manière différente selon l'orientation cristalline, on peut facilement distinguer les différentes cristallites. On utilise aussi parfois un choc thermique pour provoquer des fissures entre les grains (rupture intergranulaire) visibles au microscope.
Quelques réactifs courants Liste des réactifs d’attaque métallographique + Matériaux Nom du réactif Composition du réactif Procédures RemarquesAcier au carboneNital (3%)Acide nitrique 3 [ml] Éthanol 100 [ml]Immersion de plusieurs secondes à quelques minutes à température ambiante.Solution d'attaque standard pour les aciers au carbone.(Peut être utilisée avec différentes concentrations selon les besoins)Acier au carbonePicralAcide picrique 2-4 [g] Éthanol 100 [ml]Immersion de plusieurs secondes à quelques minutes à température ambiante.Acier au carboneVilellaAcide picrique 1 [g] Acide chlorhydrique 5 [ml] Éthanol 100 [ml]Immersion de plusieurs secondes à quelques minutes à température ambiante.Bon pour les structures de ferrite+carbure et (martensite).Acier au carboneV2AAcide chlorhydrique 5% Acide nitrique 25% Eau déminéralisée 70%Immersion de plusieurs secondes à quelques minutes à température ambiante.Attaque généraleAlliage cuivreux et acier de décolletageHeynChlorure d'ammonium cuivrique 10 [g] Eau déminéralisée 120 [ml]Immersion de plusieurs secondes à quelques minutes à température ambiante.Mise en évidence de ségrégations de soufre et phosphore dans les aciers, cuivre et alliages.Alliage cuivreuxPersulfate d'ammoniumPersulfate d'ammonium 10 [g] Eau déminéralisée 100 [ml]OrEau régaleAcide chlorhydrique ~75% Acide nitrique ~25%Solution à utiliser juste après le mélange. La solution peut être utilisée aussi en température.Attaque générale. (Si l'alliage contient beaucoup d’argent, il se peut se former un film de , qui peut être enlevé avec une solution de .)Aluminium et titaneKellerEau distillée 190 [ml] Acide nitrique 5 [ml] Acide chlorhydrique 3 [ml] Acide fluorhydrique 2 [ml] 10-30 secondes d'immersion. Utilisez uniquement frais.Aciers inoxydables et alliage de NickelMarbleSulfate de cuivre 10 [g] Acide chlorhydrique 50 [ml] Eau déminéralisée 50 [ml]Immersion à température ambiante pendant 5 à 60 s jusqu'à l'obtention du contraste désiré. Ajoutez quelques gouttes d'acide sulfurique pour augmenter la réactivité.Attaque générale.
Analyse et interprétation de la microstructure
Contrairement à la microscopie classique, l'échantillon n'est pas en couche mince au travers de laquelle les rayons lumineux peuvent passer, mais ces rayons, provenant de l'objectif même du microscope, sont réfléchis par la surface polie de l'échantillon à examiner, et traversent une seconde fois l'objectif dans l'autre sens pour pouvoir, ensuite, être observés par l'oculaire. De plus l'observation optique peut être suivie d'une observation au microscope électronique à balayage.
Le grossissement adopté pour ce type d'examen est généralement compris entre x100 et x200.
On peut utiliser des atlas métallographiques de référence pour caractériser la pièce à contrôler par rapport à des images types.
Notes et références
Voir aussi Bibliographie Jean Perdijon, Matériaux sous surveillance, Cachan, Editions Lavoisier, 2021. Thomas Munch, Métallographie pratique - Techniques de préparation et d’observation optique, Ellipses, 2023
Liens externes
PRESI - métallographie - Analyse et coupe Métallographique.
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