Etude expérimentale des transitions volume/surface des propriétés mécaniques du nickel polycristallin de haute pureté

par Clément Keller

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Eric Hug.

Soutenue en 2009

à Caen .

mots clés

• Effets de taille
• Effets de surface
• Matériaux -- Propriétés mécaniques
• Nickel
• Microstructure (physique)
• Dislocations dans les métaux
• Microscopie électronique en transmission
• Métallurgie physique

Résumé

Le comportement mécanique du nickel polycristallin de haute pureté a été étudié en fonction de l'épaisseur et du nombre de grains dans l'épaisseur, à l'aide d'essais mécaniques et d'observations en microscopie électronique en transmission (MET). L'objectif principal est de caractériser l'effet d'une transition volume/surface des échantillons polycristallins métalliques en lien avec le microformage industriel. Le comportement mécanique a été examiné à l'aide de deux séries d'échantillons, une première dont l'épaisseur est fixée à 500 µm avec une taille de grains variable et une seconde dont la taille de grains est maintenue constante (100 µm) et dont l'épaisseur varie entre 12,5 µm et 6,4 mm. Ces deux séries d'échantillons, assurant la séparation des deux variables d'étude, possèdent une microstructure similaire caractérisée expérimentalement par diffraction des neutrons, EBSD et MET. Avec une réduction du nombre de grains dans l'épaisseur en dessous d'une valeur critique indépendante de la série d'échantillon, un fort adoucissement, une modification des caractéristiques du glissement plastique et une réduction des contraintes internes sont révélés. Cette valeur critique définit la borne inférieure du comportement mécanique polycristallin classique en dessous de laquelle le comportement multicristallin puis quasi-monocristallin apparaît. Cette transition semble due à l'existence d'effets de surface provoqués par la transition polycristal-monocristal.

Titre traduit

Experimental study of microstructural size effects on mechanical properties of high purity polycrystalline nickel

Résumé

In this study, the mechanical behaviour of polycrystalline nickel is investigated as a function of the thickness and of the number of grains across the thickness of the samples by mechanical tests and transmission electron microscopy observations. The overall purpose is to study the microstructural size effects on mechanical properties of metallic samples for microforming interest. Two different series of samples has been investigated, one with constant 500 µm thickness and various grain sizes and another one with constant 100 µm grain size and thicknesses ranging between 12. 5 µm and 6,4 mm. These two kinds of samples involve the separation of the two parameters of the study and show the same microstructural aspects revealed by neutron diffraction, EBSD and TEM. With a reduction of the number of grains across the thickness below a critical value insensitive of the type of sample, a strong softening, a modification of the gliding systems and a reduction of the long-range backstress appear. This critical value of the number of grains across the thickness represents a lower bound for the classical polycrystalline mechanical behaviour and induces multicrystalline and quasi-singlecrystalline behaviour. This phenomenon seems to be due to surface effects induced by polycrystal-singlecrystal mechanical behaviour transition.