MÉTALLOGRAPHIE - Macrographie et micrographie optiques

MÉTALLOGRAPHIE - Macrographie et micrographie optiques

C’est dans la seconde moitié du XIX^e siècle que le microscope optique a commencé à être utilisé pour examiner les structures des produits métallurgiques. Anasoff, en 1841, puis Henry Clifton Sorby, en 1864, furent les pionniers de cette technique avec Floris Osmond, lequel publia le premier ouvrage illustré de photomicrographie (La Constitution des aciers au carbone , 1894).

À la suite de ces précurseurs vint alors toute une génération d’illustres métallurgistes: Adolf Martens et Gustav Heinrich Tammann en Allemagne, Nicholas Timothy Belaiew en Russie, Henry Le Chatelier, Augustin Charpy et Albert Portevin en France, William Chandler Roberts-Austen et John Edward Stead en Angleterre, Carl Axel Benedicks en Suède, Albert Sauveur aux États-Unis et bien d’autres, qui tous développèrent les techniques de la métallographie microscopique.

Un tel intérêt pour ce mode d’investigation s’explique si l’on pense que les propriétés d’un matériau métallurgique ne dépendent pas seulement de la composition chimique, mais qu’elles découlent essentiellement de la nature, de la taille et de la répartition des phases constituantes.

1. Préparation des surfaces

Mis à part le cas particulier de l’examen des états de surface qui peut avoir un certain intérêt métallurgique (finition d’un usinage, par exemple) et celui de l’examen des ruptures intercristallines ou transgranulaires, les échantillons destinés à être observés au microscope optique doivent subir une préparation particulière. Les constituants sont en effet soit masqués par des couches superficielles gênantes (oxydes, nitrures), soit altérés par les procédés de mise en forme. Il est donc nécessaire de disposer tout d’abord d’échantillons ayant quelques centimètres carrés de section et d’en polir la partie qui sera examinée.

Prélèvement des échantillons

L’échantillon choisi doit évidemment être le plus représentatif possible de la structure de la pièce étudiée. Or il est rare que les matériaux métallurgiques soient homogènes: leur composition chimique peut varier d’un point à un autre, soit à cause de phénomènes de «ségrégation majeure» (cf. MÉTALLURGIE - Les traitements thermiques), soit parce qu’ils ont subi certains traitements de surface (cémentation, nitruration), soit encore parce que la mise en forme a introduit des déformations localisées (forgeage, matriçage).

L’échantillon étant choisi, le prélèvement dans la pièce doit être effectué en perturbant au minimum la structure initiale: le sciage ou le tronçonnage sont en général employés, mais il faut alors éviter soigneusemnt tout échauffement excessif. Dans certains cas particuliers, on aura recours au découpage par étincelage, par ultrasons ou par électrolyse.

Découvert à Cracovie par Biernawski, le découpage par étincelage consiste à utiliser l’énergie d’une batterie de condensateurs pour produire des étincelles entre une électrode de découpage et la pièce. Cette dernière est immergée dans un bain d’huile qui régularise les arcs électriques et assure le refroidissement durant la coupe.

Dans le cas de matériaux très durs et très fragiles (tels les carbures métalliques), on immerge la pièce dans une suspension de poudre abrasive. Des ondes stationnaires ultrasonores permettent de localiser l’abrasion et de couper l’éprouvette en certaines zones particulières qui sont des ventres de vibration.

Afin d’éviter toute perturbation d’origine mécanique ou thermique lors du découpage, ce qui est nécessaire dans certains cas particuliers comme celui du prélèvement d’échantillons monocristallins, on a recours au découpage électrolytique. Pour réaliser cette opération, un fil ou un disque porté à un potentiel négatif est imbibé d’un électrolyte; cette électrode est donc en contact avec la pièce à couper (placée en anode) par l’intermédiaire d’un film liquide conducteur. Il s’ensuit une attaque électrochimique localisée qui permet le sectionnement de la pièce.

Polissage de la surface

L’échantillon étant prélevé, il reste à rendre une de ses surfaces apte à être examinée au microscope optique. Cette surface doit être plane (puisque les objectifs ont une faible profondeur de champ) et sans rayures (qui nuiraient à l’examen de la structure). C’est le but des opérations de polissage.

Un polissage préliminaire est en général réalisé mécaniquement par abrasion sur des meules refroidies puis sur des bandes de papiers abrasifs revêtus de carbure de silicium et humectés d’eau. Cette phase du polissage est assez délicate puisqu’il convient d’éviter un trop fort échauffement local. Afin d’éliminer progressivement les rayures, on opère sur une série de papiers abrasifs dont le grain est de plus en plus fin (220, 320, 400, 600, par exemple) en croisant soigneusement les stries de polissage quand on passe d’un papier au suivant.

Afin d’obtenir des surfaces ayant un «poli miroir», on termine le polissage en utilisant soit des procédés mécaniques, soit des

techniques chimiques ou électrolytiques qui permettent d’éviter toute perturbation de la surface polie.

Dans la finition mécanique , la section à polir est amenée au contact d’un disque de drap ou de feutre imbibé d’une suspension abrasive contenant soit des grains d’alumine ou de magnésie qui, par suite de leur dureté, usent la surface, soit de la poudre de diamant dont les cristaux très coupants enlèvent de véritables microcopeaux. Le disque tourne à quelques centaines de tours par minute et la pièce elle-même est animée d’un mouvement de rotation autour d’un axe normal à la surface à polir. Après une série de passages sur des disques imprégnés d’abrasifs de plus en plus fins (poudre de diamant dont les grains font successivement 20 猪m, 10 猪m et 2 猪m, par exemple), la surface est correctement polie et peut être utilisable.

Bien entendu, ce mode de polissage introduit des déformations au niveau de la surface abrasée et le tableau ci-dessous indique, à titre d’exemple, la profondeur de la zone sous-jacente perturbée dans le cas d’un acier inoxydable 18-10 (18 p. 100 de chrome, 10 p. 100 de nickel et environ 72 p. 100 de fer).

Certains métaux et alliages se polissent par simple immersion dans des réactifs spécifiques, sans aucun potentiel extérieur. C’est la finition chimique, phénomène dont R. Pinner a fourni une explication. Ainsi, à titre d’exemple, l’aluminium et ses alliages sont polis dans une solution qui est un mélange d’acides sulfurique, phosphorique et nitrique dans le rapport 3, 7, 1, renfermant également 1 g de Ni(NO³)² par litre; la température de polissage est comprise entre 85 et 105 ⁰C. Dans le cas du zirconium, un polissage chimique à 20 ⁰C durant 20 s dans un mélange renfermant 60 p. 100 de H³, 5 p. 100 de HF, 35 p. 100 de H²O (en volume) permet d’obtenir des surfaces débarrassées d’oxyde gênant, donc examinables en lumière polarisée (fig. 1). Seule existe une légère attaque différentielle qui dépend de l’orientation des cristaux et met bien en évidence chaque domaine cristallin.

La finition électrolytique permet d’obtenir des surfaces parfaitement polies et rigoureusement exemptes de déformations. C’est en 1930 qu’un brevet concernant le polissage électrolytique du nickel a été déposé par P. Jacquet et H. Figour et, en 1935, apparaissent les premières photomicrographies relatives à des échantillons polis électrolytiquement. On a pu dire que Jacquet est le père de la métallographie moderne puisque, sans le procédé de polissage électrolytique, l’étude de nombreux métaux et alliages n’aurait pu être abordée. Toutes les recherches effectuées sur des lames minces examinées au microscope électronique, recherches qui ont permis d’aborder vraiment la physique de l’état métallique, n’auraient pas pu être entreprises sans le polissage électrolytique. Enfin, en 1956, P. Jacquet et G. Van Effenterre mettent au point une méthode de polissage électrolytique localisé (méthode dite du tampon) qui permet des examens sur des pièces très massives sans aucun prélèvement d’échantillon.

Sur le plan technique, le polissage électrolytique est très simple puisqu’il suffit que l’échantillon, placé en anode, soit en contact avec un électrolyte approprié. Très schématiquement, on peut dire que durant l’électrolyse apparaît, sur la surface à polir, une couche très visqueuse ayant une forte résistivité électrique. Cette couche, par suite de sa viscosité, est plus épaisse au niveau des creux de la surface; il s’ensuit que la dissolution anodique des aspérités est plus rapide (la densité de courant y est importante). Un nivellement de la surface est donc possible par élimination progressive des reliefs initiaux.

Si l’échantillon est immergé dans le bain, on peut polir des surfaces relativement importantes, mais l’opération est assez longue (quelques minutes à quelques heures); si l’électrolyte est projeté sur la surface, le polissage est plus rapide (quelques secondes ou quelques dizaines de secondes), puisque les densités de courant peuvent être plus élevées, mais il est alors nécessaire d’employer un diaphragme, ce qui limite la zone polie.

D’emploi facile, le polissage électrolytique, en cellule ou par jet, ne constitue pas un moyen universel valable pour tous les alliages. Dans le cas des alliages biphasés, par exemple, des phénomènes électrochimiques locaux peuvent amener des reliefs accentués (c’est le cas du silicium dans les alliages Al-Si qui, fortement anodique par rapport à la matrice environnante, se polit préférentiellement); c’est le cas aussi des échantillons présentant des porosités (alliages frittés ou fontes grises), dans lesquels on observe un polissage rapide des bords des cavités amenant un accroissement notable de la taille des pores. Seul le polissage avec la poudre de diamant donne alors un faciès correct.

2. Révélation de la structure des surfaces polies

Il est assez rare que l’examen au microscope de la surface simplement polie puisse fournir des renseignements sans qu’il soit nécessaire de faire appel à certaines techniques particulières d’illumination telles que le fond noir, la lumière polarisée ou le contraste de phase interférentiel. Le plus souvent on doit faire agir sur la surface polie un réactif chimique ou électrolytique; de tels réactifs corrodent ou colorent préférentiellement certaines phases et mettent en évidence certaines hétérogénéités de la structure.

Polissage électrolytique sélectif

La vitesse de polissage d’une solution solide hétérogène (dans laquelle les éléments d’addition sont concentrés en certaines régions privilégiées de la matrice) n’est pas uniforme en tous points par suite d’effets électrochimiques. Il en résulte qu’un examen de la surface simplement polie permettra de déceler la présence d’hétérogénéités de composition. C’est notamment le cas des alliages Al-Zn vieillis, dans lesquels A. Berghezan a montré que le zinc se ségrégeait sur les parois de polygonisation. C’est aussi le cas de certaines structures de fonderie: des structures lignées ou cellulaires sont alors mises en évidence (fig. 2).

Le polissage électrolytique est par ailleurs la seule technique valable pour l’étude micrographique des processus de déformation plastique, tels que le maclage mécanique ou le glissement (fig. 3).

Il convient enfin de signaler que le polissage électrolytique peut parfois donner lieu au développement de faciès particuliers sans liaison directe avec la structure réelle du matériau: ondulations régulières (ripple-marks ) ou figures spiralées (fig. 4).

Oxydation superficielle

L’oxydation peut être obtenue par chauffage en atmosphère contrôlée (sous une pression partielle d’oxygène plus ou moins élevée), par l’action d’un réactif chimique oxydant, par électrolyse (pl. I, 1) ou par bombardement ionique.

Dans le cas de l’oxydation gazeuse, l’oxyde peut être sous forme de «germes» répartis à la surface et aisément visibles (fig. 5), ou sous forme de couche mince continue (pl. I, 2, 3; pl. II, 2) décelable le plus souvent grâce à des phénomènes d’interférences lumineuses. Lorsque la couche d’oxyde est très mince (une fraction de micromètre), transparente et cristalline (c’est le cas par exemple de l’alumine formée sur de l’aluminium poli électrolytiquement et oxydé anodiquement durant 30 secondes dans un bain d’acide fluoborique dilué – 3 p. 100 d’acide et 97 p. 100 d’eau), la biréfringence de la couche permet d’obtenir des colorations d’origine physique très contrastées. On examine alors les échantillons en lumière blanche polarisée avec une lame de phase et un nicol analyseur sur le trajet des rayons réfléchis (entre l’objectif et l’oculaire du microscope métallographique). Les couleurs observées sont différentes selon l’orientation locale ou l’épaisseur de la couche biréfringente. Cette orientation ou cette épaisseur dépendent de l’orientation du cristal métallique sur lequel a crû la couche d’oxyde (phénomène d’épitaxie) et il est possible de distinguer parfaitement des domaines cristallins de l’échantillon, même peu désorientés les uns par rapport aux autres (cas des structures polygonisées).

Dans le cas où, sur l’aluminium poli électrolytiquement, la couche d’oxyde anodique est formée, durant 30 à 60 minutes, dans une solution aqueuse d’acide sulfurique, le film transparent permet encore de révéler la structure du métal sous-jacent. Pourtant le film d’oxyde de 20 à 40 micromètres d’épaisseur est incolore, amorphe, et d’épaisseur identique en tous ses points.

En lumière blanche, entre nicols croisés et avec interposition d’une lame 1/4 d’onde, le film apparaît néanmoins différemment coloré suivant l’orientation des grains du métal sous-jacent (pl. II, 1); ces différences de coloration sont dues à la rotation différente du plan de polarisation de la lumière réfléchie à travers la couche, rotation qui ne peut être imputée à une quelconque biréfringence d’ordre cristallographique du film d’oxyde amorphe. Elle est due, comme l’a montré Wiener, à l’existence de micropores, dans l’épaisseur du film d’oxyde, dont le diamètre et la forme sont différents suivant l’orientation du grain métallique sous-jacent. C’est ce qu’on appelle la «biréfringence de forme».

Cela est confirmé par le fait que le «fixage» du film d’oxyde par immersion de l’aluminium oxydé dans de l’eau portée à ébullition, opération qui a pour objet de colmater ces pores en vue d’augmenter l’effet protecteur du film d’oxyde vis-à-vis des agents corrosifs, rend le film parfaitement incolore entre nicols croisés.

La couche superficielle d’oxyde (thermique ou anodique) peut, dans certains cas, être suffisamment étanche et adhérente pour constituer une barrière efficace vis-à-vis des gaz ou des lacunes en sursaturation dans le réseau cristallin sous-jacent. Il est alors possible, sur l’aluminium notamment, de déceler la présence soit de porosités dues aux gaz, soit de petites cavités géométriques formées par des condensations de lacunes et appelées «figures thermiques» (fig. 6).

Attaque par des réactifs chimiques ou électrolytiques

Les techniques d’attaque de la surface par des réactifs chimiques ou électrolytiques sont les plus utilisées pour révéler les structures micrographiques. La corrosion, réalisée souvent par immersion de l’échantillon, peut alors être localisée ou généralisée et, dans ce dernier cas, c’est la corrodabilité différente de chaque phase attaquée qui permet de révéler la structure (fig. 7). Si l’attaque procède par piqûres distinctes, il y a souvent formation de «figures de corrosion» géométriques (fig. 8) dont la forme est caractéristique de l’orientation du cristal attaqué et dont la répartition révèle la présence de sous-joints de polygonisation. Ces sous-joints constitués par des arrangements de dislocations en parois, véritables frontières intracristallines, limitent des domaines désorientés entre eux de quelques minutes d’arc seulement (fig. 9).

Par ailleurs, les réactifs donnant des corrosions ponctuelles peuvent mettre en évidence des hétérogénéités de composition dans les solutions solides (fig. 10) ou des ségrégations d’impuretés très peu solubles, et cela même dans des aluminiums raffinés (fig. 11).

Dans le cas des attaques électrolytiques, une source de courant extérieure est nécessaire, ce qui permet soit de déposer sur les surfaces de minces couches épitaxiques (pl. II, 1, 3, 6), soit de corroder certains constituants. C. Edeleanu a grandement perfectionné cette technique en utilisant un « potentiostat », appareil d’électrolyse à courant stabilisé possédant une électrode de référence. Il est ainsi possible d’attaquer sélectivement certaines phases et de déterminer exactement leur potentiel de dissolution.

Appartiennent à cette catégorie de «réactifs» les procédés par bombardement ionique qui permettent soit de graver certaines phases (par emploi d’ions inertes accélérés par une tension de 1 000 V environ), soit de former des couches d’oxydes très minces (par bombardement avec des ions oxygène).

Certains réactifs chimiques permettent de déposer sur la surface polie des couches dont la coloration est caractéristique d’une phase déterminée (le picrate de sodium bouillant colore par exemple la cémentite des aciers en brun-noir). Il existe de très nombreuses recettes applicables à certains cas particuliers (pl. I, 8; pl. II, 4, 5).

3. Les techniques d’examen des surfaces en microscopie optique

Le microscope métallographique permet d’examiner par réflexion les surfaces métalliques, et de nombreux procédés d’illumination sont utilisés pour interpréter les structures non seulement de façon qualitative, mais aussi, et de plus en plus, de manière quantitative. Avant de passer en revue les différentes techniques, il faut distinguer la macrographie, ou examen des surfaces avec des grossissements très faibles, technique souvent précieuse pour mettre en évidence des hétérogénéités de structure à l’échelle de la pièce examinée (fig. 12 et 13), de la micrographie qui a pour but d’examiner les détails de la structure dans la limite du pouvoir séparateur du microscope optique (0,5 猪m environ).

Observation qualitative des structures

L’éclairage en lumière incidente normale (fig. 7) et l’éclairage en lumière oblique (fig. 2 et 4) sont couramment utilisés. Il est cependant souvent utile de travailler en fond noir, en lumière polarisée, ou d’utiliser le contraste de phase.

L’examen en fond noir permet de déceler la présence de très petites aspérités (en creux ou en relief) dont les dimensions sont de l’ordre de 0,1 猪m et qui diffusent la lumière incidente. Cette technique est intéressante notamment dans le cas où le microprofil de la surface n’est pas homogène. Dans le cas des «figures thermiques», par exemple, certaines régions des cristaux, à l’émergence des sous-joints de polygonisation, sont privées de figures et apparaissent en noir sur les photographies (fig. 14).

Pour l’examen en lumière polarisée, deux cas sont à considérer selon que le matériau lui-même a une structure anisotrope ou que sa surface est recouverte d’une couche mince anisotrope épitaxique.

Si le faisceau lumineux incident est polarisé, le plan de polarisation du faisceau réfléchi est plus ou moins dévié selon l’orientation du réseau cristallin par rapport à la lumière incidente. On peut ainsi révéler les domaines cristallins sans aucune attaque sur des métaux tels que le zinc ou le zirconium (fig. 1) en analysant la lumière réfléchie à l’aide d’un second polariseur.

L’emploi de la lumière polarisée pour examiner les échantillons recouverts d’une couche très mince d’oxyde (ou de sulfure) épitaxique est spécialement intéressant car il permet d’obtenir des teintes plus vives (pl. I, 5; pl. II, 7), donc des contrastes plus intenses entre les domaines cristallins assez peu désorientés.

Certains dispositifs d’illumination permettent d’introduire une différence de marche entre deux ondes lumineuses venant éclairer la surface. C’est l’examen en contraste de phase. Un contraste de phase interférentiel à deux ondes polarisées a été mis au point par G. Nomarski; cet appareil permet de déceler de très fines dénivellations (des lignes de glissement par exemple), le contraste étant maximum quand la différence de marche est égale au double de la hauteur des dénivellations (pl. I, 4, 7).

Micrographie quantitative

La micrographie quantitative est l’une des voies les plus intéressantes de la micrographie.

Les couches minces épitaxiques ont généralement une épaisseur qui dépend de l’orientation du cristal sous-jacent. Si la couche a une épaisseur de l’ordre de grandeur des longueurs d’onde de la lumière incidente, des interférences se produisent entre les deux faces de la couche et, en lumière incidente blanche, on observe des colorations qui sont fonction de l’épaisseur de la couche. C’est ainsi qu’une couche de 10 nm donne une teinte rouge clair; la teinte est violette pour 20 nm et bleue pour 30 nm (pl. II, 6).

Avec les appareils permettant de produire des franges d’interférence, il est possible de mesurer exactement la hauteur de faibles dénivellations. L’examen est alors effectué en lumière monochromatique et le décalage des franges (fig. 15 et 16) permet de mesurer des différences de hauteur de l’ordre de 5 nm.

Les appareils à dosage densitométrique sont les derniers apparus de la technique micrographique. La plage à étudier est reprise sur un écran de télévision et, selon le pouvoir réflecteur local de la surface, une quantité plus ou moins grande d’électrons peut être comptée. Un petit ordinateur associé permet alors de sélectionner, de compter et de mesurer la surface de plages ayant une intensité lumineuse, une forme ou une taille choisies entre deux valeurs prédéterminées. Cet appareil est utilisé notamment pour doser les phases, les inclusions ou les pores dans les alliages et pour préciser les textures morphologiques éventuelles.

Par suite de la diversité des moyens qu’elle met en œuvre, la micrographie optique demeure encore une technique très précieuse pour le métallurgiste. Cette technique ne saurait être supplantée, notamment par la microscopie électronique (classique ou à balayage) qui en est plutôt un complément souvent indispensable. Du fait de la mise au point de méthodes optiques quantitatives, la micrographie n’est d’ailleurs plus seulement descriptive: elle devient un véritable outil, de plus en plus utile au métallurgiste praticien comme au physicien de l’état solide.

Encyclopédie Universelle. 2012.