microstructure

La microstructure est l'arrangement des cristaux, des phases et des défauts visibles à des grossissements d'environ 50x à 10 000x, généralement sous un microscope optique ou électronique. Elle se situe entre l'échelle atomique (qui nécessite une microscopie électronique à transmission à 100 000x ou plus) et l'échelle macroscopique (ce que l'on peut voir à l'œil nu). Cette échelle intermédiaire est celle où les métallurgistes trouvent les contrôles qui déterminent si une poutre en acier pliera ou se brisera, si un alliage d'aluminium résistera à la corrosion, ou si un fil de cuivre conduira l'électricité efficacement.

Les principaux constituants de la microstructure sont les grains: des cristaux individuels de la même phase qui se sont formés pendant la solidification ou la recristallisation. Chaque grain est délimité par des joints de grains, où les atomes sont moins étroitement ordonnés. À l'intérieur ou entre les grains se trouvent différentes phases, telles que la ferrite et la cémentite dans l'acier, ou l'alpha et le bêta dans les alliages de titane. Les inclusions (oxydes, sulfures, nitrures) et les précipités (particules durcissantes) peuplent également la microstructure. La taille, la forme et la distribution de ces caractéristiques régissent les propriétés mécaniques comme la limite d'élasticité, la ténacité, la dureté et la résistance à la fatigue.

La microstructure est contrôlée par la composition, la vitesse de refroidissement et le travail mécanique. Un refroidissement rapide produit des grains fins et petits; un refroidissement lent produit des grains grossiers. Le laminage à chaud ou le forgeage brise les grandes structures dendritiques et redistribue les inclusions. Le traitement thermique, le recuit, la trempe, le revenu, le vieillissement, modifient les phases présentes et leur distribution. Un acier refroidi lentement à partir de 900 °C peut contenir de la ferrite et de la cémentite molles et massives; le même acier trempé dans l'eau devient de la martensite dure. Le revenu de cette martensite à 600 °C produit une microstructure beaucoup plus résistante de fines particules de carbure dans la ferrite.

Observation et interprétation

Pour observer la microstructure, un échantillon est coupé, monté dans de la résine, poli progressivement plus finement (généralement jusqu'à 0,05 micromètre avec de la pâte diamantée), puis attaqué à l'acide ou à un autre réactif pour révéler les joints de grains et les phases. Les différentes phases et orientations s'attaquent à des vitesses différentes, créant un contraste sous lumière réfléchie. La microscopie optique fonctionne bien jusqu'à un grossissement utile d'environ 1500x; la microscopie électronique à balayage (MEB) va jusqu'à 100 000x et montre des détails plus fins. L'apparence indique au métallurgiste expérimenté quel traitement thermique a été appliqué, quel est l'historique de travail du matériau et où les défaillances sont susceptibles de se produire.

Les défauts courants visibles dans la microstructure comprennent des grains excessivement grossiers (dus à une surchauffe ou à un refroidissement lent), la ségrégation (distribution inégale des éléments d'alliage entre le centre et les bords des grains) et la porosité (pores gazeux laissés par la solidification). Les inclusions non métalliques du processus d'affinage, l'alumine, les silicates, les sulfures de manganèse, agissent comme des concentrateurs de contraintes et réduisent la durée de vie en fatigue. Le terme microstructure lui-même est apparu au début du 20e siècle lorsque les métallurgistes ont adopté le microscope comme outil standard et ont reconnu que les propriétés n'étaient pas régies par la seule composition chimique, mais par la façon dont cette composition était arrangée à l'échelle micrométrique.