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Le 28/01/2015

La cristallographie : un outil d’investigation pour l’analyse des microstructures

Au LEM3, des chercheurs font appel à la cristallographie pour étudier les microstructures des matériaux. Cette discipline les aide à mieux comprendre et à optimiser les procédés de mise en forme utilisés par les industriels. Explications de Lionel Germain, chercheur de l'équipe 3TAM.

 

 

"J'utilise la cristallographie pour remonter le temps" s'amuse Lionel Germain. Maître de conférences rattaché à l'équipe 3TAM* du LEM3, il étudie des matériaux soumis à des procédés de mise en forme industriels : fonderie, déformation, traitement thermique, assemblage, soudage... Il s'intéresse en particulier aux changements structuraux des aciers et des alliages de titane à haute température. La cristallographie est son outil d'investigation : "La microstructure des matériaux conditionne leurs propriétés d'emploi. L'analyse cristallographique nous permet de déterminer l'état du matériau avant transformation à partir de mesures faites après transformation". Finalité de ces recherches : comprendre et optimiser les procédés de mise en forme. Le chercheur et son équipe collaborent avec de grands industriels comme ArcelorMittal, Ascometal ou dans le cadre de projets menés avec l'IRT M2P.

 
"Localiser l'origine de la fissure à l'échelle de l'atome"
 

Typiquement, lorsqu'une pièce métallique rompt suite à des essais de fatigue, les scientifiques cherchent à déterminer les causes de la rupture. " Les procédés de mise en forme peuvent génèrer des hétérogénéités cristallines qui réduisent par 100 la durée de vie d'un matériau " détaille Lionel Germain. Pour analyser ce phénomène et localiser l'origine de fissures à l'échelle de l'atome, ils font appel à la cristallographie. Leur technique d'analyse appliquée au titane intéresse les industriels de l'automobile ou de l'aéronautique tels que Safran et Rolls Royce. Elle est par exemple utilisée pour contrôler la résistance d'aubes de turbine de moteurs d'avion. Autre exemple : les problèmes de fissuration qui peuvent apparaitre lors du soudage de l'inox. Une problématique qui intéresse notamment l'aciériste Aperam. "Quand on soude des aciers, le matériau subit des transformations de phase : l'organisation des cristaux changent avec la température et peut générer des fissures. Grâce à la cristallographie, nous pouvons "remonter le temps" au cours de l'opération de soudage, c'est-à-dire retracer les différentes étapes de transformation cristallines subies par le matériau qui garde une hérédité forte de ses modifications. On peut ainsi définir les meilleures conditions de soudage ou les meilleures compositions d'alliages à utiliser".

 

Les chercheurs du LEM3 effectuent leurs analyses cristallographiques des alliages métalliques à l'aide de deux principaux outils : des diffractomètres à rayons X et un microscope électronique unique au monde, un prototype basé sur le "Zeiss Auriga 40". Cet équipement hébergé au sein de la plateforme lorraine de microscopie tridimensionnelle "permet de visualiser en 3D l'organisation des cristaux à l'intérieur d'un matériau massif" commente Lionel Germain.

 

* Transformation, Texture, Topologie et Anisotropie des Matériaux

© illustration : Lionel Germain / LEM3 – Légende : A gauche : une microstructure d'un alliage de titane après compression et trempe. A droite : la reconstruction cristallographique de la même microstructure avant trempe.

 
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LEM3 : Laboratoire d'Etudes des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
Le LEM3 est un centre d'expertise en caractérisation expérimentale et en modélisation numérique du comportement mécanique et de l'évolution structurale des matériaux polycristallins et polyphasés, s'appuyant sur des études pertinentes à différentes échelles : de la microstructure et micro texture jusqu'au calcul des structures et des procédés de fabrication.
 
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