Résultats

La prédiction des ruptures fragiles en présence de métal liquide implique la compréhension des phénomènes menant à la rupture et leur quantification. C’est pourquoi des essais mécaniques en présence de métal liquide avec observations in situ à différentes échelles sont fondamentaux pour une visualisation en continu des phénomènes lors de l’essai : sous microscope électronique à balayage pour une visualisation macroscopique et jusqu’au micromètre, sous microscope électronique en transmission pour des échelles nanométriques. Pour mieux interpréter les résultats puis quantifier les phénomènes, différentes approches de simulation mécanique des essais aux différentes échelles d’observation doivent être corrélées aux résultats expérimentaux, dans le but de quantifier et prédire la fragilisation due au métal liquide. Comme la sensibilité à la FML de matériaux divers serait basée sur des modes de rupture similaires, une quantification est possible, et une prédiction pourrait l’être aussi. C’est dans cette perspective que l’étude de systèmes modèles (ici des alliages de cuivre en présence de l’eutectique gallium-indium) peut permettre de mettre au point un cadre prédictif de la sensibilité à la FML pour les systèmes modèles, applicable par la suite aux matériaux industriels plus complexes.

Principaux résultats

Lors du projet, des méthodologies originales d’essais mécaniques, en présence de l’eutectique indium-gallium (EGaIn) liquide à température ambiante, ex-situ et in-situ en microscopie électronique à balayage et en transmission ainsi qu’une approche de simulations aux différentes échelles ont été développées.  Les conditions de sensibilité à la FML du cuivre et de différents laitons par l’EGaIn ainsi que les chemins de fissuration intergranulaire ont été observés. La sensibilité à la FML a été quantifiée aux échelles microscopiques et nanoscopiques expérimentalement et par simulation à travers la détermination d’un facteur d’intensité de contrainte critique de rupture en présence de métal liquide.

Au-delà des recherches scientifiques qui se poursuivent pour une meilleure observation et prédiction de la sensibilité à la FML, nous appliquons les résultats obtenus lors du projet GauguIn à d’autres conditions pour mieux comprendre la galvanisation (dépôt de zinc) des aciers, procédé utilisé pour améliorer la tenue à la corrosion de l’acier.

Résultats des travaux de thèse de Marco Ezéquiel (28/02/2023)

Le travail effectué lors de la thèse concerne l’étude de la sensibilité à la fragilisation par les métaux liquides (FML) à température ambiante de laitons alpha contenant différents taux de zinc par l’eutectique liquide In-Ga (EGaIn). Le liquide EGaIn mouille le cuivre pur de manière partielle avec un angle de contact relativement faible de 49 ± 5 °. Cet angle est plus faible pour les laitons alpha et décroit avec le pourcentage en zinc. Il est de 36 ± 5 ° pour le laiton Cu-30%Zn. De plus, l’intermétallique CuGa2 se forme dès le contact avec le liquide EGaIn avec le cuivre et les laitons alpha, indépendamment de la teneur en zinc. Les essais de flexion 3 points montrent que la sensibilité à la FML par l’EGaIn augmente pour des vitesses de déformation élevées, des taux de zinc plus élévés et des duretés plus importantes. Dans les cas de FML, le liquide EGaIn n’affecte pas la phase d’initiation de la fissure mais seulement la propagation de la fissuration. En effet, les faciès de rupture présentent toujours une initiation ductile de la fissure puis une rupture fragile. L’intermétallique CuGa2 empêche l’initiation d’une rupture fragile en limitant le contact entre le métal liquide et le laiton dans les premières phases de l’essai mécanique. Puis l’intermétallique se fissure et ainsi, le liquide EGaIn rentre en contact avec le laiton rendant possible la FML à condition de déformations plastiques suffisamment importantes du laiton. A cause de l’initiation d’une rupture ductile, le laiton Cu-30%Zn ne présente pas de sensibilité à la FML lorsque il est testé par le small punch test (SPT) standard. Cependant l’utilisation d’échantillons de SPT pré-entaillés permet l’observation pour ce laiton de la FML en contact avec l’EGaIn liquide. De plus, du fait de l’initiation d’une rupture ductile, il est impossible à partir des résultats des essais de SPT et de flexion de déterminer une ténacité en présence de métal liquide. C’est pourquoi, des micro-essais de flexion avec observations in-situ et présence d’une couche fine protectrice de W ont été mis en oeuvre. Ils ont permis de déterminer en présence d’EGaIn liquide une ténacité de 1,57 ± 0.08 MPa m1/2 pour le laiton Cu-30%Zn.

Résultats des travaux de thèse d'Antoine Clément (20/12/2022)

Cette thèse traite de la plasticité et de la fragilisation par mercure liquide des    laitons-α. Différentes propriétés comme la contrainte de Peierls ou les facteurs d’intensité de contrainte de critique d’émission de dislocation en fond de fissure ont été étudiées en fonction de la concentration en zinc des alliages. Cette étude a été effectuée en développant un potentiel EAM qui a ensuite été utilisé dans une approche QM/MM afin de combiner les avantages des calculs ab-initio et des potentiels interatomiques. Différents joints de grains ont été modélisés et leur comportement au contact de métal liquide a été observé. Un nouveau mécanisme de fragilisation par métal liquide a été mis à jour avec la création de cavité en sub-surface.