Fragilisation par les métaux liquides : phénomènes et prédiction – appliquée au système alliages de Cuivre / Ga-In – GauguIn

Des observations in-situ au MET seront effectuées notamment, afin de valider les phénomènes ayant lieu à la pointe d’une fissure mouillée par Ga-In (émission de dislocation ou propagation interfaciale). Des essais in-situ en MEB viendront compléter ces mesures en s’intéressant à l’amorçage et à la propagation d’une fissure dans les cas fragilisants. Des observations in-situ en AFM lors d’essais de flexion en métal liquide doivent être mises en oeuvre et permettre de quantifier la déformation en présence de métal liquide et d’étudier l’existence de contrainte seuil de propagation de fissure fragile. Les conditions d’interface seront analysées (AFM, ToF-SIMS). Les mesures mécaniques tenteront de mesurer les facteurs d’intensité de contrainte critique pour la rupture dans les cas fragilisant. Nourrie entre autres par des simulations à l’échelle atomique par DFT, l’émission des dislocations et la rupture fragile en présence de métal liquide seront évaluées dans une approche mixte continue-atomistique à partir de bilans énergétiques. Cela requiert de simuler une interface solide-liquide laiton/GaIn et le frottement de réseau dans un modèle de type Peirls-Nabarro. Les résultats de l’approche théorique seront confrontés avec les données expérimentales issues du projet afin de pouvoir valider cet outil prédictif de la sensibilité à la FML. On s’intéressera en particulier au seuil en zinc à partir duquel il serait possible d’observer de la FML comme critère discriminant sur le caractère prédictif d’une telle approche.

L'objectif du projet GauguIn est de développer une méthodologie prédictive générique pour la fissuration fragile induite par métal liquide qui pourrait être applicable à tout système métal liquide / métal solide. L'approche proposée consiste d'une part à étudier expérimentalement l'amorçage de fissures et l'émission de dislocations au fond de fissure et d'autre part la simulation des phénomènes. Le système modèle considéré (cuivre et laiton en contact avec du liquide Ga-In) offre une transition ductile / fragile et donc une sensibilté à la FML en fonction de l'alliage métallique solide. Avec ce système, un couplage fort entre les expériences et la simulation est possible. Des essais mécaniques in situ dédiés en présence de métal liquide et sous AFM, MEB et TEM permettront de mesurer et de quantifier l'effet de la présence de métal liquide sur la plasticité et la propagation des fissures aux échelles microscopique et nanométrique. Ces approches n'ont jamais été envisagées dans le domaine de l'étude de la FML dans un même projet avec un objectif : prédire la sensibilité à la FML. Le projet dédié aux tests in situ en présence de métal liquide en MET, MEB et AFM présente un défi important du point de vue technologique et de compréhension aux échelles nanoscopique et microscopique. La partie modélisation utilise également des techniques de modélisation de pointe (DFT et AIMD).

En cours

En cours

La fragilisation par les métaux liquides (FML) est un phénomène ayant lieu suivant deux modes : le plus connu s’explique par un mouillage spontané au niveau des joints de grains (Al/Ga, Cu/bi), un second mode requiert une déformation plastique en présence de métal liquide. Des cas de FML pour les aciers en contact avec des métaux liquides sont à prendre en compte dans la sureté des installations utilisant les métaux liquides (réacteurs nucléaires, solaire thermique haute température) ou lors de la galvanisation des aciers. C’est ce dernier mode concernant à priori tout alliage métallique en présence d’un métal liquide qui fait l’objet de l’étude proposée. En effet l’objet de celle-ci est de déterminer une méthodologie sur un système modèle pouvant prédire les conditions de propagation d’une rupture fragile en présence de métal liquide. Les récentes observations ayant montré une rupture aux interfaces en présence de métal liquide pour différents systèmes, il est considéré un système «modèle» - laitons, alliages de cuivre contenant différentes teneurs de zinc en contact avec un alliage Ga-In liquide - afin de coupler analyses, observations expérimentales, modélisation de l’amorçage et propagation d’une fissure en métal liquide. On observe dans ce système une transition ductile-fragile quand on augmente la teneur en zinc. Ainsi, les objectifs de cette proposition sont, en plus d’une étude standard de la sensibilité à la fragilisation par les métaux liquides, d’acquérir une meilleure compréhension des mécanismes de FML, notamment par des essais et des observations in-situ (AFM, MET, MEB) jusqu’à des échelles nanoscopiques et une nouvelle approche numérique de la FML permettant de prédire la rupture fragile en présence de métal liquide. Des observations in-situ au MET seront effectuées notamment, afin de valider les phénomènes ayant lieu à la pointe d’une fissure mouillée par Ga-In (émission de dislocation ou propagation interfaciale). Des essais in-situ en MEB viendront compléter ces mesures en s’intéressant à l’amorçage et à la propagation d’une fissure dans les cas fragilisants. Des observations in-situ en AFM lors d’essais de flexion en métal liquide doivent être mises en œuvre et permettre de quantifier la déformation en présence de métal liquide et d’étudier l’existence de contrainte seuil de propagation de fissure fragile. Les conditions d’interface seront analysées (AFM, ToF-SIMS). Les mesures mécaniques tenteront de mesurer les facteurs d’intensité de contrainte critique pour la rupture dans les cas fragilisant. Nourrie entre autres par des simulations à l’échelle atomique par DFT, l’émission des dislocations et la rupture fragile en présence de métal liquide seront évaluées dans une approche mixte continue-atomistique à partir de bilans énergétiques. Cela requiert de simuler une interface solide-liquide laiton/GaIn et le frottement de réseau dans un modèle de type Peirls-Nabarro. Les résultats de l’approche théorique seront confrontés avec les données expérimentales issues du projet afin de pouvoir valider cet outil prédictif de la sensibilité à la FML. On s’intéressera en particulier au seuil en zinc à partir duquel il serait possible d’observer de la FML comme critère discriminant sur le caractère prédictif d’une telle approche. L’ambition du projet est donc de prédire le comportement mécanique en FML d’un système modèle et être ainsi en mesure de proposer pour la première fois une approche prédictive pour des systèmes industriels.