microségrégation

La microségrégation est la répartition inégale des éléments d'alliage au sein d'un même grain d'un métal ou d'un alliage, se produisant à l'échelle de dizaines à des centaines de micromètres. Pendant la solidification, les atomes de soluté se déplacent plus lentement que l'interface liquide-solide en progression, ce qui les amène à se concentrer dans le dernier matériau à se figer. Cela crée des gradients de composition entre le cœur et le bord extérieur de chaque dendrite (la structure cristalline ramifiée qui se forme lorsque le métal refroidit), même si le grain lui-même est chimiquement homogène lorsqu'il est observé à un grossissement plus faible.

La gravité de la microségrégation dépend de la vitesse de refroidissement et du degré auquel chaque élément d'alliage favorise la phase solide ou liquide. Les vitesses de refroidissement rapides réduisent la ségrégation car les atomes ont moins de temps pour diffuser, tandis qu'un refroidissement lent permet à la composition de s'homogénéiser. Les alliages binaires présentent le comportement le plus simple, mais les aciers commerciaux et les superalliages contiennent plusieurs éléments, chacun avec son propre coefficient de ségrégation, ce qui rend la structure dendritique chimiquement complexe dans la direction radiale.

Conséquences et remèdes

La microségrégation crée des vulnérabilités mécaniques et de corrosion. Les régions enrichies en manganèse ou en chrome peuvent être fragiles; les régions appauvries en carbone peuvent être douces. Dans les aciers inoxydables, les zones appauvries en chrome peuvent précipiter des carbures de chrome, réduisant la résistance à la corrosion dans ces bandes. Le traitement thermique peut réduire la microségrégation par diffusion, mais une homogénéisation complète nécessite une exposition prolongée à haute température et est souvent peu pratique pour les grands lingots ou pièces moulées.

Le terme distingue ce phénomène de la macroségrégation, qui se produit à des échelles de millimètres à centimètres et implique un mouvement de masse du liquide pendant la solidification. La microségrégation est inévitable dans les métaux coulés et les soudures; les métallurgistes l'acceptent et la compensent par le contrôle de la composition, la vitesse de traitement et le traitement thermique post-solidification. Dans la métallurgie des poudres et les alliages solidifiés rapidement, la microségrégation est supprimée car la vitesse de refroidissement dépasse 103 K/s, bien plus rapide que la coulée conventionnelle.