L’attaque métallographique

Le terme « attaque métallographique » recouvre toutes les méthodes servant à mettre en évidence les caractéristiques structurelles particulières d’un métal qui n’apparaissent pas à l’état poli. L’examen d’un échantillon correctement poli avant l’attaque peut révéler des éléments structurels : porosités, fissures ou encore inclusions non métalliques.

Pour certains composants, c’est l’analyse d’images sans attaque qui permet de fait d’obtenir les meilleurs résultats : en révélant des détails superflus, l’attaque rend la détection difficile, voire impossible. Il suffit de penser à la mesure d’inclusions dans les aciers et de graphite dans la fonte. Tous les métaux présentent bien entendu des inclusions, pas seulement les aciers. Une mesure efficace est possible à l’état poli sur de nombreux précipités intermétalliques et nitrures.

Méthodes d’attaque métallographique

L’examen au microscope permet en général un grossissement maximum de 1000X — à peu près la limite utile du microscope optique, à moins que des objectifs à immersion ne soient utilisés. De nombreux systèmes d’analyse d’images fonctionnent avec des lentilles auxiliaires qui permettent des grossissements plus importants et peuvent ainsi faciliter la détection des structures fines. L’amélioration de la résolution se limite toutefois à 0,2–0,3 µm pour le microscope optique.

L’examen au microscope d’un échantillon bien préparé mettra clairement en évidence des caractéristiques structurelles comme la taille des grains, la ségrégation, mais aussi la forme, la taille et la répartition des phases et des inclusions présentes. L’examen de la microstructure révèlera les traitements mécaniques et thermiques précédemment effectués sur le métal. Bon nombre de ces microstructures sont mesurées selon des méthodes établies d’analyse d’images, telles les normes ASTM, ou des méthodes développées en interne.

L’attaque métallographique s’effectue par immersion ou badigeonnage (ou par attaque électrolytique) avec une solution chimique appropriée qui, en substance, provoque une corrosion sélective. Le badigeonnage est privilégié pour les métaux et alliages formant une couche superficielle oxydée résistante au contact de l’atmosphère : aciers inoxydables, aluminium, nickel, niobium, titane et leurs alliages. On utilisera de préférence du coton de qualité chirurgicale, qui ne raiera pas la surface polie. La durée de l’attaque varie avec son intensité et ne peut être déterminée que par expérience. En général, une attaque peu profonde est recommandée pour l’examen à fort grossissement, le contraste pour les examens à faible grossissement étant par contre meilleur avec une attaque plus profonde. Certains réactifs d’attaque ont une action sélective, n’attaquant ou ne colorant qu’une seule phase.

Attaque sélective

La sélection d’un réactif d’attaque améliorant le contraste entre l’élément à étudier et le reste facilite l’analyse d’images. Si une myriade de réactifs d’attaque ont été mis au point au fil des ans, seuls quelques-uns d’entre eux ont une action sélective naturelle. Bien que le choix du meilleur réactif d’attaque, et son utilisation correcte, soit absolument décisif pour l’analyse d’images, il ne fait l’objet que de rares publications.

La Figure 20.2 illustre parfaitement les différents comportements des réactifs d’attaque avec un exemple classique : une tôle d’acier pauvre en carbone ayant fait l’objet d’une attaque avec les réactifs d’attaque usuels – le nital et le picral –, et d’une attaque colorante.

L’attaque au nital 2 % révèle les joints de grains de ferrite et la cémentite. On notera que de nombreux joints de grains de ferrite manquent ou apparaissent à peine – un problème qui nuit à la précision de l’évaluation de la taille des grains. L’attaque au picral 4 % révèle les agrégats de cémentite (qui ne peuvent être qualifiés de perlite en raison de leur apparence non lamellaire et la cémentite se présentant en partie sous forme de simples pellicules aux joints de grains), mais pas les joints de grains de ferrite. Si on s’intéresse à la quantité et à la nature de la cémentite (qui peuvent influencer la formabilité), l’attaque au picral fournit des résultats nettement supérieurs à l’attaque au nital, le picral ne révélant que la cémentite.

L’attaque colorante au réactif de Beraha (le réactif de Klemm 1 peut également être utilisé) a teinté les grains en fonction de leur orientation cristallographique. Grâce à l’apparition des analyseurs d’images couleur, cette image permet désormais une mesure précise de la taille des grains, puisque tous sont colorés.

Figure 20.3. Eutectique ternaire (α-Fe C-Fe P) dans de la fonte grise révélé par attaque a) dans du picral et du nital pour « faire ressortir » les phases ; b) dans une solution alcaline de picrate de sodium en ébullition pour colorer la cémentite ; c) dans du réactif de Murakami en ébullition pour colorer le phosphure (200X).

La Figure 20.3 présente un exemple un peu plus complexe d’attaque sélective. La micrographie montre l’eutectique ternaire ferrite-cémentite-phosphure de fer dans de la fonte grise.

Sur la Figure 20.3a, l’attaque séquentielle au picral et au nital a révélé l’eutectique, entouré de perlite. L’attaque à la solution alcaline de picrate de sodium en ébullition (Figure 20.3 b) n’a coloré que la phase de cémentite, insérée dans la perlite environnante (un grossissement plus important est nécessaire pour voir la cémentite finement espacée, plus faiblement colorée). L’attaque au réactif de Murakami (Figure 20.3c) a conféré une teinte foncée au phosphure de fer et colorera légèrement la cémentite après une attaque prolongée. L’utilisation du réactif de Klemm 1 permettrait de colorer en priorité la ferrite.

L’attaque sélective est généralement utilisée sur les aciers inoxydables pour détecter, identifier et mesurer la ferrite delta, la ferrite dans les nuances biphasées et la phase sigma.

La Figure 20.4 présente des exemples d’utilisation de divers réactifs d’attaque courants visant à révéler la microstructure d’un acier inoxydable biphasé à l’état laminé à chaud et recuit.

La Figure 20.4a montre une structure clairement définie après immersion de l’échantillon dans une solution alcoolique d’HCl 15 % pendant 30 minutes. Si toutes les limites de phase sont bien révélées, il n’y a pas de distinction entre ferrite et austénite. Les joints de macle dans l’austénite n’ont pas été révélés. Le glycérégia, un réactif d’attaque utilisé sur les aciers inoxydables, mais apparemment plutôt sensible à l’orientation, ne convenait pas pour cette nuance (Figure 20.4 b).

Alors que de nombreux réactifs d’attaque électrolytique servent à l’attaque sur les aciers inoxydables, seuls quelques-uns ont des propriétés sélectives. Sur les quatre dont l’utilisation est illustrée sur les Figures 20.4c à f, seule la solution aqueuse d’acide nitrique 60 % a permis une distinction – relativement faible – des phases grâce à différentes nuances de gris.

Tous ont cependant parfaitement mis en évidence les limites de phase. Deux réactifs électrolytiques sont fréquemment utilisés (Figures 20.4 g et h) pour colorer la ferrite dans les nuances biphasées et la ferrite delta dans les nuances martensitiques.

Parmi ceux-ci, la solution aqueuse d’hydroxyde de sodium 20 % (Figure 20.4 g) permet en général d’obtenir une coloration plus homogène de la ferrite. Les réactifs de Murakami et de Groesbeck sont également utilisés à ces fins. Quant aux réactifs d’attaque colorants mis au point par Beraha, ils colorent parfaitement la phase ferritique, comme l’illustre la Figure 20.4i.

Les techniques d’attaque sélective ne sont pas uniquement utilisées sur les alliages à base de fer, bien que cette application soit davantage développée que celles sur les autres systèmes d’alliage. L’attaque sélective de la phase bêta sur les alliages de cuivre alpha-bêta a suscité beaucoup d’intérêt.

L’attaque sélective sert depuis longtemps à identifier les phases intermétalliques dans les alliages d’aluminium. Cette méthode a été utilisée de nombreuses années avant l’apparition de la spectroscopie à dispersion d’énergie. Aujourd’hui, elle reste un outil précieux pour l’analyse d’images.

La Figure 20.5 montre la structure d’un simple outil de coupe en carbure fritté de WC-Co. À l’état poli (Figure 20.5a), le liant cobalt ressort faiblement sur le fond des grains de carbure de tungstène, plus grisâtres. Quelques particules de graphite sont visibles.

Sur la Figure 20.5 b, un léger polissage des reliefs a fait ressortir les contours de la phase de liant cobalt ; cette figure n’est toutefois pas très utile pour l’analyse d’images.

Sur la Figure 20.5c, l’immersion dans une solution d’acide chlorhydrique saturée avec du chlorure ferrique a attaqué le cobalt, produisant un contraste uniforme qui permet de mesurer la phase de liant cobalt.

Une attaque ensuite réalisée à température ambiante avec le réactif de Murakami a révélé les arêtes des grains de carbure de tungstène, facilitant l’évaluation de leur taille (Figure 20.5d).

Attaque électrolytique et anodisation

En substance, l’attaque électrolytique s’effectue de la même façon que le polissage électrolytique, la tension et les densités de courant étant toutefois nettement plus faibles. L’échantillon sert d’anode, tandis qu’un matériau relativement insoluble, mais conducteur – acier inoxydable, graphite ou encore platine – fait office de cathode. La plupart des attaques électrolytiques sont réalisées avec du courant continu. L’attaque électrolytique est généralement utilisée sur les aciers inoxydables, soit pour mettre en évidence les joints de grains sans joints de macle, soit pour colorer la ferrite (comme l’illustre la Figure 20.4i), la ferrite delta, les phases sigma ou chi.

« Anodisation » est un terme appliqué aux réactifs d’attaque électrolytique qui développent la coloration des grains lors de l’examen à la lumière à polarisation croisée, comme dans le cas de l’aluminium, du tantale, du titane, du tungstène, de l’uranium, du vanadium et du zirconium.

Coloration thermique

Bien que peu utilisée, la coloration thermique est une excellente méthode pour colorer les composants ou grains et ainsi créer un contraste. Un échantillon poli non enrobé est placé face en haut dans un four à air chaud à une température donnée. Il y est laissé le temps qu’une couche d’oxyde se forme à la surface.

Comme dans l’attaque colorée, des effets d’interférence produisent une coloration pour des épaisseurs de pellicule allant de 30 à 500 nm. La couleur observée dépend de l’épaisseur de la pellicule et de sa fonction. Bien entendu, l’exposition thermique ne peut altérer la microstructure. Si plusieurs essais sont nécessaires pour déterminer la température adéquate, cette méthode est reproductible et fiable.

Méthode de la couche interférentielle

La méthode de la couche interférentielle, mise au point par Pepperhoff en 1960, permet elle aussi de former, sur la microstructure, une couche qui produit de la couleur par effets d’interférence. Pour cette technique, un matériau adéquat est déposé par évaporation sous vide sur la face polie de l’échantillon afin de créer un film diélectrique à faible absorption, avec un indice de réfraction élevé à une épaisseur comprise dans la plage pour l’interférence.

Cette méthode permet de faire ressortir de façon spectaculaire des différences minimes de réflectivité naturelle entre les composants et la matrice. Universellement applicable, elle demande toutefois un évaporateur sous vide. Principal point faible : sa difficulté à fournir un revêtement uniforme sur une vaste surface pour les mesures par analyse d’images.

Conseils pratiques pour l’attaque

De nombreux réactifs d’attaque peuvent être utilisés par badigeonnage ou par immersion. On privilégiera le badigeonnage pour les échantillons formant un oxyde protecteur compact sur la surface à l’air : Al, Ni, Cr, aciers inoxydables, Nb (Cb), Ti et Zr. Si par contre le réactif d’attaque forme une pellicule, tels les réactifs d’attaque colorants, on aura recours à l’immersion, le badigeonnage empêchant la formation de la pellicule – comme dans le cas du réactif de Keller, qui révèle la taille des grains de certains alliages d’aluminium en formant une pellicule.

De nombreux réactifs d’attaque et leurs ingrédients sont potentiellement dangereux pour la santé de l’utilisateur. La norme ASTM E 2014 (Standard Guide on Metallography Laboratory Safety) décrit de nombreux problèmes courants et comment les éviter.