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Un regard sur l’univers de la ferrite de Widmanstätten - Par : Luis Felipe Gerlein Reyes,

Un regard sur l’univers de la ferrite de Widmanstätten


Luis Felipe Gerlein Reyes
Luis Felipe Gerlein Reyes Profil de l'auteur(e)
Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.
Programme : Génie électrique 

Note de l’éditeur

Le texte qui suit est l’un des articles finalistes du concours « Des auteurs qui ont du génie » organisé par SARA et Substance ÉTS. C’est un résumé vulgarisé d’un article intitulé : Formation of Widmanstätten ferrite at very high temperatures in the austenite phase field, coécrit par Mohammad Jahazi, professeur au Département de génie mécanique de l’École de technologie supérieure.

Introduction

Depuis l’Antiquité, l’humanité exploite les propriétés des métaux afin de se pourvoir d’outils indispensables à l’évolution et à la réussite de sa domination sur la nature… et sur d’autres êtres humains. Des études ont montré que les premiers outils en pierre finement polie étaient utilisés 10 000 ans av. J.-C. L’or, le cuivre, l’argent et le plomb arrivent plus tard, puis l’âge du bronze. Ce n’est qu’en 1500 av. J.-C. que la fonte du fer entre en jeu pour transformer à tout jamais notre vision du monde.

Façonnés à partir de fer et plus tard d’acier, les outils et les armes procurèrent une remarquable supériorité à ces civilisations assez hardies qui en tirèrent parti. De plus, ils reçurent la « bénédiction des dieux » grâce au fer tombé des cieux. Tout au long de l’histoire, on vénéra des débris spatiaux, en fait des météorites, telles des pierres sacrées présumées dotées d’une certaine force magique.

ferrite de Widmanstätten

Figure 1. La roche Manitou. Aussi connue sous le nom de la divinité de pierre — Pahpamiyhaw asiniy — tombée voilà des siècles près du lieu nommé aujourd’hui Hardisty en Alberta. De nombreuses tribus des Premières Nations la considèrent comme détentrice d’un immense pouvoir sacré dans leur culture. Vue sous le bon angle, la pierre présente le profil du visage d’un homme. Les groupes autochtones croient que ce visage est celui du créateur.

 

Les météorites existent depuis la nuit des temps; en fait, depuis des milliards d’années. Si vous avez l’occasion d’en toucher une, ce sera sans doute la chose la plus immémoriale que vous toucherez de votre vie. Il est intéressant de noter que les plus anciens artéfacts ferreux, datés de 3200 av. J.‑C., sont des billes à base de fer de météorite. Représentant environ 5 % de toutes les météorites récupérées, celles de fer sont principalement constituées d’un alliage de notre révéré fer combiné au moins populaire nickel. On pense que ces météorites proviennent du noyau en fusion de grands corps célestes comme les planétoïdes.

Imaginez deux planètes ressemblant à la Terre entrant en collision l’une avec l’autre et se disloquant complètement. Les noyaux de fer en fusion, désormais libres de leur enveloppe matérielle externe, se retrouveraient à voyager dans l’espace pendant des milliards d’années. Fait intéressant, seule la couche extérieure d’un fragment de noyau refroidirait vite; les parties intérieures refroidiraient à un rythme extrêmement lent variant entre 100 °C et 10 000 °C sur une période d’un million d’années (un Ma). Un fragment de noyau finirait par atteindre notre planète, piquant notre curiosité et nous permettant de l’étudier.

On reconnaît facilement la Widmanstätten grâce à son motif.

Figure 2. Météorite ferreuse. Les motifs de Widmanstätten se reconnaissent facilement par les lignes qui s’entrecroisent.

Ces conditions extrêmes permettent la formation de certains motifs géométriques intéressants à l’intérieur de la masse solide de la météorite ferreuse. On appelle communément ces motifs figures ou structures de Widmanstätten. Malheureusement, on ne peut pas reproduire exactement ce phénomène en laboratoire sur Terre, mais ces motifs apparaissent dans de nombreux autres alliages métalliques, en particulier dans les alliages d’acier, de titane et de zirconium.

Lorsqu’elles sont présentes dans l’acier à faible concentration en carbone, on nomme ces structures les ferrites de Widmanstätten. Elles peuvent survenir à température très élevée, sous une des nombreuses phases cristallines de l’acier, voir la figure 3.

ferrite de Widmanstätten

Figure 3. Diagramme de phase fer-carbone. Ce diagramme montre les conditions requises pour former différents arrangements atomiques (phases) de composés de fer selon la concentration de carbone et la température de formation de l’alliage. La masse de l’acier est composée de 0 % à 2,06 % de carbone; celle de la fonte, de 2,06 % à 6,67 %.

 

Pourquoi la détection des ferrites de Widmanstätten s’avère-t-elle importante?

Comme mentionné auparavant, l’utilisation du fer et, plus récemment, de l’acier revêt une grande importance dans notre société. Selon l’application souhaitée, un morceau d’acier peut être ductile et flexible ou, au contraire, présenter une résistance et une fragilité accrues. La présence de figures de Widmanstätten indique d’importants changements structurels dans le matériau, donc à quel point ses propriétés physiques en seront affectées.

C’est l’objectif d’une étude récente présentée par une équipe d’ingénieurs en matériaux et d’ingénieurs mécaniques de l’Université McGill et de l’École de technologie supérieure, à Montréal (Québec). Par leur recherche, ils visent à caractériser les transformations dynamiques qui se déroulent dans une phase cristalline de l’acier appelée austénite, où des ferrites de Widmanstätten sont formées à haute température, voir la figure 3.

En mécanique des matériaux, on peut induire des transformations dans la structure atomique de deux façons :

  • Transformation reconstructive : en gros, on brise tous les liens dans l’échantillon et on réorganise tous les atomes en une nouvelle structure cristalline. Dans le cas d’un alliage Fe-C, cela permet aux atomes de carbone de se diffuser à l’intérieur du fer, la réorganisation favorisant la meilleure disposition possible. Les déformations internes sont minimisées dans le matériau, car chaque élément tombe bien en place.
  • Transformation displacive : elle se produit lorsque la structure cristalline change par déformation physique par rapport à l’arrangement périodique des atomes. Dans cette transformation, la diffusion à l’intérieur du matériau n’est pas obligatoire, mais selon le type de contraintes présentes, elle peut néanmoins survenir. Le prix à payer ici, c’est la déformation interne créée dans les atomes de l’échantillon. Cette altération interne peut produire des phases cristallines instables.

Les tests effectués par cette équipe de chercheurs consistent en des transformations displacives qui appliquent compression et contrainte de déformation aux échantillons. En mesurant la réponse du matériau à des températures variant de 1000 à 1350 °C, les chercheurs ont pu détecter les transformations dynamiques qui produisent des microplaques de ferrite dont les motifs géométriques ressemblent à ceux de Widmanstätten. À la température la plus élevée, ils ont obtenu des plaques de ferrite perpendiculaires claires qui correspondent parfaitement aux motifs, comme on le voit sur la figure 4.

ferrite de Widmanstätten

Figure 4. Widmanstätten ferrite plates in strained samples. a) 1250 °C and b) 1350 °C. Note the presence of almost perpendicular plates. Image and caption taken directly from source publication.

Conclusion

Enfin, l’équipe a développé un modèle pour prédire les valeurs critiques de température et de déformation qui déclenchent la recristallisation, résultant en ce qui apparaît comme de la ferrite de Widmanstätten en phase austénitique. La présence de cette ferrite entraîne des répercussions importantes en ce qui a trait aux propriétés mécaniques de l’échantillon d’acier.

Les grandes parties en acier, utilisées dans les plaques ou dans les éléments structurels, se composent généralement d’acier de type austénitique doté du grain grossier de cette structure. Lorsque les contraintes présentes dans le matériau sont adéquates, comme celles qui prévalent en construction sous de lourdes charges, l’austénite grossière tend à se transformer en ferrite de Widmanstätten, ce qui modifie sa résistance lors d’essai en traction. Il a été démontré qu’en fonction de la fraction volumique de la ferrite de Widmanstätten présente, on peut détecter les changements relatifs à la résistance du matériau. Une faible fraction volumique offre une plus faible résistance de matériau. À l’inverse, une fraction volumique relativement importante conduit à une plus grande résistance à la déformation.

Ce qui est préoccupant, c’est l’effet néfaste de la ferrite de Widmanstätten sur la dureté du matériau. Les structures de Widmanstätten ne se produisent pas uniquement par refroidissement de l’acier sous certaines conditions, mais se retrouvent aussi dans les joints soudés ou les pièces moulées qui sont soumises à un refroidissement rapide. Elles deviennent particulièrement indésirables en raison de leur tendance à durcir et à présenter une plus grande fragilité que les structures courantes de ferrite et perlite.

Par exemple, un acier à faible teneur en carbone, moins de 0,4 %, possède une plus grande ductilité par rapport à celle des aciers aux concentrations de carbone plus élevées. La présence de la ferrite de Widmanstätten dans l’acier à faible teneur en carbone le rend plus fragile et contrecarre l’objectif d’obtenir un acier ductile. Cependant, cette fragilité accrue présente un intérêt : fabriquer la pièce à l’aide d’un tour ou d’une perceuse s’avère plus facile. Une fois l’usinage terminé, un bon recuit (traitement thermique) et un refroidissement lent facilitent la diffusion du carbone et rétablissent la ductilité initiale du matériau.

Luis Felipe Gerlein Reyes

Profil de l'auteur(e)

Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.

Programme : Génie électrique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et composants optoélectroniques hybrides 

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