Ebook Rayonnement synchrotron, rayons X et neutrons au service des matériaux | EDP Sciences

Ce livre traite d'un sujet toujours de grande actualité quoique, à proprement parler, il ne soit pas nouveau, comme c'est la plupart du temps le cas en Science des Matériaux. Je me souviens qu'au début de ma carrière de chercheur, j'avais été frappé par le titre d'un article de F. Lazlo " Tessellated Stresses ", publié en 1943 en quatre parties dans le J. Iron and Steel Institute. Sans aller chercher immédiatement la signification précise de " tessellated ", je rapprochais dans ma mémoire ce qualificatif du terme bien connu : les tesselles, ces petits cubes qui sont les petites pièces de marbre ou de verre constituants des mosaïques. Il me semble que le terme est particulièrement évocateur de ces contraintes internes réparties à l'échelle microscopique. Je regrette de ne pas avoir pu consulter le commentaire que lui avait consacré Nabarro dans le cadre d'un Symposium on " Internal Stresses in Metals and Alloys " qui s'était tenu à Londres, en octobre 1947.

Il serait intéressant de relire les comptes rendus de cette conférence pour mesurer la permanence des problèmes et réaliser la richesse des intuitions de nos prédécesseurs une lecture qui mettrait en évidence tant les problèmes incontournables que les progrès significatifs plus que significatifs, comme on le constatera à la lecture de ce livre !

Les lecteurs me pardonneront volontiers d'avoir évoqué au seuil de ce livre, par ces quelques lignes, certains souvenirs personnels d'un " vétéran ". Mais il est toujours bon de revenir sur l'histoire d'un domaine de recherche ou d'une technique expérimentale. Les publications un peu anciennes sont trop souvent oubliées ou ne font l'objet que de citations (parfois sans même qu'elles aient été lues !). Dans le domaine abordé dans le présent ouvrage, on remarquera que la nouveauté ne réside pas tant dans la physique et ses implications techniques, à part la disponibilité plus récente des neutrons et du rayonnement synchrotron que dans les moyens de détection et d'exploitation de celles-ci, moyens maintenant routiniers en particulier ceux que permettent les outils informatiques. Qu'il suffise de comparer les temps d'enregistrement et de dépouillement d'un diagramme de Kossel ou d'EBSD qui se chiffrait en heures avec les quasis instantanés d'aujourd'hui. A cet égard n'est-il pas à craindre que l'on croule vite sous le poids de l'abondance de données ?

La raison fondamentale du choix de la technique de diffraction pour caractériser les contraintes ou la texture dans les matériaux est qu'elle fournit des informations uniques qui ne peuvent être obtenues avec aucune autre méthode expérimentale. Ã? l'origine, l'utilisation de la technique de la diffraction était uniquement réservée pour caractériser des structures cristallines, et cela reste encore actuellement le moyen le plus courant pour y parvenir. Aujourd'hui, la technique de diffraction fournit un moyen de mesure extrêmement sensible à tout changement de structure cristalline, changement dû par exemple, à une sollicitation mécanique ou thermique. En guise d'introduction aux chapitres suivants, nous allons rappeler comment la technique de diffraction peut être utilisée pour déterminer l'état des contraintes, de la texture ou de la déformation plastique dans un matériau. Un diagramme de diffraction contient des pics bien définis et résulte de la diffusion d'ondes planes incidentes provenant du réseau périodique d'atomes dans le matériau cristallin. Le diagramme de diffraction est constitué par des ondes diffusées correspondant à des pics d'interférences caractérisés par des positions, des formes et des intensités spécifiques.

Nous allons tout d'abord nous intéresser aux positions des pics de diffraction contenues dans le diagramme de diffraction. Ces positions sont liées aux espacements interatomiques contenus dans la structure cristalline. Comme la diffraction est une technique interférométrique, elle est très sensible aux variations de cet espacement, qui sont de l'ordre de 0,001 Ã?, ce qui représente une déformation de 0,025 % dans une cellule unitaire de 4 Ã?. De telles variations peuvent être mesurées couramment et des déformations d'un ordre de grandeur plus petit sont accessibles dans des conditions expérimentales plus favorables avec des spectromètres haute résolution. On pourrait penser qu'un équipement classique utilisant des jauges d'extensométrie et une machine universelle de traction pourrait faire aussi bien, mais un tel équipement n'est pas utilisable pour caractériser des contraintes/déformations résiduelles préexistantes, ou encore pour analyser des variations locales des contraintes/déformations à l'intérieur même de la structure, ou bien enfin pour observer des phases individuelles dans un alliage multi phrasé. De plus, la diffraction permet la détermination de contraintes résiduelles ou appliquées, avec des positions d'échantillons arbitraires et pour un grand nombre de directions cristallographiques.

Cette possibilité signifie que le tenseur des déformations peut être déterminé complètement (analyse 3D). Un tenseur des déformations ainsi déterminé n'implique aucune hypothèse, en dehors du fait qu'il est moyenné sur le volume de mesure. Cependant, la transformation en tenseur de contraintes est une question plus complexe. De plus, les informations peuvent être obtenues pour chaque phase présente. La méthode peut être utilisée pour déterminer des contraintes résiduelles préexistantes, ou pour étudier la réponse du matériau lorsque celui-ci est soumis à une sollicitation, notamment en traction, compression, fatigue ou torsion. Avec la technique de diffraction des neutrons, les mesures peuvent être réalisées à des positions contrôlées à l'intérieur même de l'échantillon massif. Le volume de mesure peut atteindre un minimum d'environ 1 mm3 et être localisé à des profondeurs pouvant atteindre jusqu'à 2 cm dans les matériaux industriels courants et voire plus pour certains matériaux favorables. De plus, de telles mesures peuvent être réalisées à des températures allant typiquement de 77 K à 1 600 K, si bien que des variations de contraintes résiduelles peuvent être déterminées en fonction de la température. C'est également une possibilité unique et puissante pour la détermination des contraintes résiduelles ou appliquées avec des gradients de contraintes, y compris avec des tenseurs de contraintes complexes, ainsi que pour des interfaces de multi-matériaux industriels, et ceci pour chacune des phases en présence.