Nathalie Limodin

La tomographie à rayons X me permet de suivre in-situ les évolutions microstructurales et les mécanismes d’endommagement au sein des matériaux métalliques et de revisiter des problématiques anciennes.

Par exemple, la tomographie synchrotron nous a permis d’analyser les évolutions microstructurales se produisant pendant la solidification d’alliages Al-Cu « modèles » et d’identifier les mécanismes agissant à l’échelle des bras de dendrites d’Al pour tester la validité des modèles existants [1–3].

La tomographie permet aussi de caractériser la microstructure d’un alliage industriel automobile (AlSi7Cu3) et d'étudier la relation procédé-microstructure.

Le procédé à modèle perdu, utilisé pour la fabrication des culasses, induit pores et microretassures dont la taille peut dépasser 1mm. L’utilisation des distributions de tailles de pores obtenues par tomographie a permis d’améliorer la pertinence des probabilités de durée de vie calculées par un critère de fatigue énergétique [4]. L’espace interdendritique contient ensuite trois phases rigides : les intermétalliques au Cu et au Fe et le Si eutectique. Les réseaux d’intermétalliques peuvent être caractérisés en tomographie de laboratoire, ce qui permet de quantifier l’influence d’un traitement thermique ou d'une variation de composition sur la microstructure [5].

Une compréhension des mécanismes d’endommagement est impossible sans une prise en compte de la complexité de la microstructure 3D. En effet, en présence de défauts de fonderie, il n’est pas rare qu’une fissure s’amorce en interne alors que la plupart des observations se limitent à la surface. La compréhension du scénario d’endommagement nécessite alors de coupler moyens d’observation in-situ à l’échelle de la microstructure 3D et mesures de champs.

Quand la microstructure 3D (nodules de graphite dans une fonte à graphite sphéroïdale, phases rigides et pores dans un alliage d’aluminium) peut servir de mouchetis pour la corrélation d’images volumiques (CIV), la réalisation d’essais in-situ sous tomographie permet non seulement d’identifier des mécanismes mais aussi de les quantifier. Les champs de déplacements 3D obtenus par CIV lors d’un essai de propagation de fissures 3D dans une fonte à graphite sphéroïdale nous ont ainsi permis d’extraire les valeurs du facteur d’intensité des contraintes le long du front de la fissure et d’étudier notamment l’influence de la géométrie de la fissure sur l’ouverture et la propagation [6]. Dans l’alliage AlSi7Cu3, le mouchetis formé par la microstructure permet d’accéder aux champs de déformations au voisinage des pores et un bon accord est observé entre un calcul éléments finis réalisé sur un modèle numérique 3D des pores dans la matrice d’aluminium et la mesure de champs lors d’un essai de traction monotone sous tomographie de laboratoire [7]. L’amorçage des fissures se produit au voisinage des pores où les déformations mesurées sont les plus grandes. Pour atteindre des durées d’acquisition compatibles avec des essais de fatigue oligocyclique, des essais ont été réalisés in-situ sous tomographie synchrotron à température ambiante mais aussi à 250°C [8]. Une haute résolution spatiale de la CIV peut  être obtenue à un niveau d’incertitude qui reste bas [9], ce qui rend possible des mesures de déformation au sein des différentes phases. Les fissures observées s’amorcent généralement  en interne près des zones de forte courbure des pores [7]. Ensuite, elles se propagent suivant les inclusions rigides où la déformation cumulée de von Mises augmente jusqu’à rupture. Ce scénario dépend de la température.