Contribution à l'étude des mécanismes de relaxation de contraintes dans les films de chromine formés sur Ni-30Cr et Fe-47Cr : approche multi-échelle par spectroscopie Raman et microdiffraction Synchrotron

par Mathieu Guerain

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Philippe Goudeau et de Jean-Luc Grosseau-Poussard.

Soutenue le 05-10-2012

à La Rochelle , dans le cadre de Sciences et ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique .

Le président du jury était Pascal Yvon.

Le jury était composé de Benoît Panicaud, Krzysztof Wolski, Yves Wouters.


  • Résumé

    Les alliages à base de chrome sont couramment utilisés pour des applications à haute température. Leurs capacités à former une couche d’oxyde thermique protectrice permet de réduire les cinétiques d’oxydation de ces matériaux. En particulier, les alliages Ni-Cr et Fe-Cr forment une couche continue de α-Cr2O3 en surface. La durabilité du système métal/céramique résultant dépend de l’intégrité mécanique de cette couche, et donc des mécanismes d’endommagement susceptibles de se produire lors de l’oxydation ou du refroidissement. L’endommagement est étroitement corrélé au niveau de contraintes résiduelles dans l’oxyde mais aussi à sa microstructure. Dans ces travaux, des alliages Ni-30Cr et Fe-47Cr sont oxydés à l’air à 800, 900 et 1000°C et une approche multi-échelle est proposée pour analyser rigoureusement les contraintes résiduelles aussi bien à des échelles macroscopiques dans le film d’oxyde adhérent qu’à des échelles locales au travers de régions délaminées.A l’échelle macroscopique, les niveaux de contraintes résiduelles sont déterminés grâce à la diffraction des Rayons X conventionnelle et à la spectroscopie Raman. Les taux de délamination des couches d’oxyde et les phénomènes de fluage diffusionnel sont quantifiés en fonction de paramètres métallurgiques conduisant à différents états microstructuraux du système. L’influence de la compétition entre ces deux modes de relaxation de contrainte sur l’endommagement est discutée. A l’échelle microscopique, des cartographies de contraintes résiduelles au travers de différents types de délaminations sont réalisées grâce à la microspectroscopie Raman et à la microdiffraction Synchrotron. En raison de sa résolution latérale, la microspectroscopie Raman est particulièrement appropriée pour analyser les délaminations formées localement. Des observations par microscopie à force atomique ont également été menées afin de décrire la géométrie (dimensions, hauteur) des différents types d’objets délaminés. Ces informations morphologiques complémentaires couplées aux niveaux de contraintes associés permettent une confrontation aux lois de la mécanique du cloquage, et l’extraction de l’adhérence interfaciale. A partir de ces analyses, des schémas et cartes de l’endommagement des couches de chromine sont proposés.

  • Titre traduit

    Contribution at the study of stress release mechanism in chromia scales formed on Ni-30Cr and Fe-47Cr : multiscale approach by Raman spectroscopy and Synchrotron microdiffraction


  • Résumé

    Chromia-former alloy are mainly used for high temperature applications. Their ability to form a protective thermal oxide scale allows reducing oxidation kinetics of the materials. In particular, Ni-Cr and Fe-Cr alloy forms a α-Cr2O3 scale at the surface. Durability of the metal/ceramic system depends on the mechanical integrity of this scale, and also of the scale damage which could appear during oxidation or cooling. These scale damages are closely correlated to the residual stress magnitude in the oxide and to the microstructure. In this work, Ni-30Cr and Fe-47Cr alloys oxidized in air at 800, 900 and 1000°C and a multi-scale approach is proposed to a analyse with accuracy residual stress magnitude both at macroscopic scale in the adherent oxide and at local scale through delaminated area.At macroscopic scale, residual stress magnitudes are determined thanks to conventional X-Ray diffraction and Raman spectroscopy. Delamination rate in the oxide scale and diffusional creep phenomena are quantified in function of metallurgical parameters leadings to different microstructural state of the system. The influence of competition between these two stress release modes on scale damage is discussed. At microscopic scale, residual stress map through different types of delamination are performed thanks to Raman microspectroscopy and Synchrotron microdiffraction. Raman microspectroscopy is particularly appropriated to analyze delamination locally formed, due to its lateral resolution. Observations by atomic force microscopy have been performed to describe the different delamination type (dimension, height). These morphological information and associated residual stresses allows confrontation to buckling mechanic and calculation of the interface toughness. Diagrams and maps concerning the scale damages have been done thanks to these analyses.


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