Etude de l'effet de taille et de structure sur l'élasticité de composites W/Cu nanostructurés en couche mince

]Study of size and structure effects on nanostructured W/Cu composites elasticity in thin layer

• Auteur / Autrice : Baptiste Girault
• Direction : Philippe Goudeau, Éric Le Bourhis, Pierre-Olivier Renault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Poitiers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élasticité

Rayons X -- Diffraction

Microscopie électronique en transmission

Couches minces métalliques

Matériaux nanostructurés

Résumé

Les lois régissant le comportement mécanique des matériaux cristallins présente une forte dépendance à la microstructure de ces derniers, et notamment, à la taille des cristallites lorsqu’ils atteignent l’échelle nanométrique. Le contrôle de la structuration des échantillons est assuré par la stratification de matériaux immiscibles, tungstène et cuivre, de réponse mécanique élastiquement isotrope et anisotrope, respectivement. La caractérisation des films réalisés par dépôts en phase vapeur a été réalisée par analyse combinée de clichés de microscopie électronique et données de diffraction et diffusion des rayons X. L'instrumentation alors mise en oeuvre afin d'accéder à la réponse élastique est la traction in situ de films minces de type composite W/Cu supportés, couplée à la diffraction des rayons X. Ce travail de recherche témoigne de la forte complémentarité entre les caractérisations microstructurales de microscopie électronique et de diffraction des rayons X, nécessaires à l'interprétation des résultats des essais de traction in situ, notamment en termes de modélisation. Il a ainsi pu être mis en évidence le caractère dispersoïde des fines couches de cuivre déposées et ainsi qu'une répartition particulière des orientations préférentielles au sein des couches de tungstène, <110> et <111>. Les résultats obtenus sur composites W/Cu à dispersoïdes quasi-isotrope de cuivre et lamellaires ont très clairement révélé un effet de structure et de taille sur les sous-couches de tungstène. Une étude plus approfondie du domaine élastique au sein de composites lamellaires a non seulement révélé que son étendue présentait une forte dépendance aux contraintes résiduelles, mais aussi que l'apparition des dislocations au sein des couches de cuivre entraînait un transfert de charge vers les couches de tungstène, conduisant à la fissuration en mode II.

The mechanical behavior of crystalline material has a high dependence on its microstructure, notably when crystallite size reaches the nanometer scale. Crystallites size is controled by the stratification of thermodynamically immiscible materials, namely tungsten and copper, isotropic and anisotropic elastically, respectively. Thin films were deposited by physical vapor deposition and their characterizations were carried out combining electron microscopy and X-ray diffraction and diffusion. In situ tensile testing combined with X-ray diffraction on supported composite W/Cu have been used to get insight into sample mechanical behavior. This work emphasises the strong complementarity between electron microscopy and X-ray diffraction analyses on microstructure characterizations, required to interpret and model tensile testing results. Theses analysis have revealed that very thin copper layers arrange as dispersoïds and that a particular crystallographic orientation distribution within tungsten layers appear as <110> and <111>. The results obtained on quasi-isotropic copper dispersoïds and laminated W/Cu composites have clearly revealed structure and size effects in tungsten sub-layers. A more detailed study of the elastic domain of laminated composite has not only revealed a strong dependence on residual stresses, but also an uppermost dislocation appearance within copper layers leading to a load transfer on tungsten layers, leading to mode II crack apparitions.