Etude de la Précipitation des Carbures et des Carbonitrures de Niobium dans la Ferrite par Microscopie Electronique en Transmission et Techniques Associées

= Nano-precipitation study of niobium carbides and carbonitrides within ferrite with transmission electron microscopy and associated techniques

• Auteur / Autrice : Eglantine Courtois
• Direction : Thierry Epicier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ferrites (matériaux magnétiques)

Carbures

Niobium -- Composés

Microscopie électronique à balayage

Microscopie électronique en transmission

Résumé

L'étude que nous présentons est consacrée à la compréhension des mécanismes de précipitation des carbures et des carbonitrures de niobium dans la ferrite, précipitation qui confère aux aciers microalliés des propriétés mécaniques intéressantes. Pour cela on a recourt à la Microscopie Electronique en Transmission (MET) qui permet une caractérisation détaillée et quantitative de la microstructure grâce au croisement des différentes techniques d'observation et d'analyse qu'elle regroupe (METHR, METC, EFTEM, HAADF, EDX, EELS). La détection et la caractérisation chimique et structurale des précipités analysés sont délicates en raison de leurs tailles nanométriques et de la présence de la matrice de fer magnétique. Cette étude porte sur deux microalliages ferritiques modèles, Fe-Nb-C et Fe-Nb-C-N. La caractérisation de la cristallographie, la taille, la forme, la fraction volumique des précipités a été entreprise sur lames minces et répliques d'extraction en AlOx. Des analyses réalisées en Microscopie Ionique (MI) et en Sonde Atomique Tomographique (TAP) sont venues confirmer les résultats obtenus en MET. Des plaquettes de NbN, assimilables à des zones de Guinier Preston, ont été observées dans les premiers stades de précipitation dans le système Fe-Nb-C-N, coexistant avec des précipités Nb(C,N) déjà formés et de structure C. F. C. , en relation d'orientation de Baker-Nutting avec la matrice. A des stades de précipitation plus avancés, la composition chimique des précipités a été analysée quantitativement en EELS pour des particules aussi petites que 6 nm de diamètre. La caractérisation expérimentale révèle la coexistence de deux types de précipités dans le système Fe-Nb-C-N: (i) des nitrures de niobium purs et (ii) des carbonitrures de niobium sous stœchiométriques en métalloïdes, contenant une fraction atomique respective de carbone, croissante, et d'azote, décroissante, au cours de la cinétique de précipitation. Dans le but de comprendre l'évolution de la composition chimique de ces précipités, un modèle thermodynamique formel a été développé pour évaluer (i) les taux de germination et de croissance (théorie classique de la germination) et (ii) la composition chimique des germes et des précipités formés. Les résultats de ce modèle présentent un accord qualitatif excellent avec l'expérience. Les deux populations formées évoluent simultanément vers un équilibre, où les nitrures sont purs et moins nombreux mais plus grands que les carbonitrures, qui sont sous stœchiométriques.

TEM study aims to further the understanding of the mechanisms of precipitation of carbides and carbonitrides in niobium microalloyed steels. In this work, two model ferritic alloys have been used. From a general point of view, TEM techniques have been consistently used for studying the crystallography, size, shape and volume fraction of the precipitates. Both thin foils and extraction replicasz in AlOx have been studied. Analysis performed with Tomographic Atom Probe (TAP) confirmed TEM results. At the early stages of precipitation, in Fe-Nb-C-N system, niobium nitride monoatomic platelets, such as Guinier Preston zones, have been simultaneously with already formed precipitates Nb(C, N), with a F. C. C. Structure and in Baker-Nutting relationship with the matrix. For more advanced stages of precipitation, the chemical composition of nanoparticles as small as 6 nm in diameter, is determined by EELS. Experiments indicate the coexistence of two types of precipitates : (i) pure niobium nitrides and (ii) mixed niobium carbonitrides with increasing carbon fraction and decreasing nitrogen during the precipitation kinetic. In order to understand the chemical composition evolution of these precipitates, a thermodynamical formalism has been developed to evaluate (i) the nucleation and growth rates (classical nucleation theory) and (ii) the chemical composition of nuclei and existing precipitates. The results of this model are in excellent qualitative agreement with the experiments, that is both populations evolve simultaneously in equilibrium, and nitrides are found in a lower number but with a larger size than carbonitrides.