Etude par nanoindentation de l'effet de l'implantation ionique sur le comportement mécanique de céramiques

= Study by Nanoindentation of the effect of ion implantation on the mechanical behavior of the ceramics

• Auteur / Autrice : Lamri Boudoukha
• Direction : Serge Paletto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA ; 1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux céramiques

Alumine

Ions -- Implantation

Nanoindentation

Résumé

L'implantation ionique est une technique de traitement de surface susceptible d'améliorer, dans certaines conditions, les propriétés mécaniques des matériaux. Parmi les améliorations qui peuvent être obtenues par une utilisation judicieuse de cette technique on peut citer: l'augmentation de la dureté, du module élastique, de la ténacité, une diminution du coefficient de frottement et d'usure, une augmentation de la résistance à la corrosion, tout ceci ayant pour conséquence une augmentation de la durée de vie. Nous nous sommes intéressés en particulier au cas de l'implantation d'ions zirconium, cuivre et titane (énergie 170 keV) dans des céramiques telles que l'alumine-α et la zircone. Pour chaque espèce l'implantation a été faite soit avec une faible dose, soit avec une ou deux fortes doses, suivie d'un traitement thermique. L'étude porte sur les modifications de la dureté, du module élastique, de la ténacité, et sur la mesure des contraintes résiduelles compressives induites par l'implantation ou les post-traitements thermiques qui ont un rôle capital sur les transformations structurales et les propriétés mécaniques. Le but de cette recherche a été de corréler les modifications des propriétés mécaniques avec les changements structuraux subis, étudiés grâce à des analyses physico-chimiques utilisant différentes méthodes. Les propriétés élastique et plastique des couches implantées dont l'épaisseur est de l'ordre de 100 nm ont été caractérisées par le puissant moyen d'investigation qu'est la microsonde mécanique. Ceci a permis de montrer, que certaines fluences et certaines températures de recuits thermiques sont favorables à l'amélioration des propriétés mécaniques.

Ion implantation is a treatment technique of surface that can improve, in some conditions, the mechanical properties of a material. Among the improvements that can be obtained by a judicious utilization of this technique, we can quote: an increase in the hardness, elastic modulus, toughness: a decrease in the wear and friction coefficient. And an increase in corrosion strength, all of this leading to an increase in life. We have been interested particularly in the case of implantation of the ions of zirconium, copper. And titanium (energy 170 keV) into ceramics such as polycrystalline alumin-α and zirconia. For each species implantation has been done either with a low dose, or with one or two high doses, followed by a thermal treatment. A study has been conducted on the modification of the hardness, elastic modulus, toughness, and on the residual surface compressive stresses induced by implantation, and after annealing, that have a major roll in the structural transformation and mechanical properties. The aim of this research has been to correlate the mechanical property modifications with structural changes, by physico-chemical analysis using a range of methods. Elastic and plastic properties of the implanted layers, of which the thickness is about 1OO nm have been characterized by microprobe investigation. This has allowed us to show that some fluences and some temperatures of thermal annealing are favorable for the improvement of mechanical properties.