Mécanismes de fragilisation d'alliages Cu-Zn par l'eutectique Ga-In

Mechanisms of liquid metal embrittlement of Cu-Zn alloys by liquid Ga-In eutectic

• Auteur / Autrice : Marco Alejandro Ezequiel Alvarado
• Direction : Ingrid Proriol Serre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 28/02/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations
• Jury : Président / Présidente : Éric Charkaluk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Auger, Marie-Laurence Giorgi, José Gonzalo Gonzalez Reyes, Anna Hojná, Eva Héripré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Viguier, Isabelle Aubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Composés intermétalliques

Dureté

Teneur en zinc

Mouillage (chimie des surfaces)

Métaux liquides

Fragilisation

Alliages cuivre-zinc

Mots clés libres

Laitons alpha

Essais de flexion

Eutectique GaIn

Liquid metal embrittlement

Alpha brasses - EGaIn

In-Situ micromechanical tests

Fracture toughness

Wetting

Finite element modelling

Résumé

Ce travail présente l'étude de la sensibilité à la fragilisation par les métaux liquides (FML) à température ambiante de laitons alpha contenant différents taux de zinc par l'eutectique liquide In-Ga (EGaIn). Le liquide EGaIn mouille le cuivre pur de manière partielle avec un angle de contact relativement faible de 49 ± 5 °. Cet angle est plus faible pour les laitons alpha et décroit avec le pourcentage en zinc. Il est de 36 ± 5 ° pour le laiton Cu-30%Zn. De plus, l'intermétallique CuGa2 se forme dès le contact avec le liquide EGaIn avec le cuivre et les laitons alpha, indépendamment de la teneur en zinc. Les essais de flexion 3 points montrent que la sensibilité à la FML par l'EGaIn augmente pour des vitesses de déformation élevées, des taux de zinc plus élévés et des duretés plus importantes. Dans les cas de FML, le liquide EGaIn n'affecte pas la phase d'initiation de la fissure mais seulement la propagation de la fissuration. En effet, les faciès de rupture présentent toujours une initiation ductile de la fissure puis une rupture fragile. L'intermétallique CuGa2 empêche l'initiation d'une rupture fragile en limitant le contact entre le métal liquide et le laiton dans les premières phases de l'essai mécanique. Puis l'intermétallique se fissure et ainsi, le liquide EGaIn rentre en contact avec le laiton rendant possible la FML à condition de déformations plastiques suffisamment importantes du laiton. A cause de l'initiation d'une rupture ductile, le laiton Cu-30%Zn ne présente pas de sensibilité à la FML lorsque il est testé par le small punch test (SPT) standard. Cependant l'utilisation d'échantillons de SPT pré-entaillés permet l'observation pour ce laiton de la FML en contact avec l'EGaIn liquide. De plus, du fait de l'initiation d'une rupture ductile, il est impossible à partir des résultats des essais de SPT et de flexion de déterminer une ténacité en présence de métal liquide. C'est pourquoi, des micro-essais de flexion avec observations in-situ et présence d'une couche fine protectrice de W ont été mis en oeuvre. Ils ont permis de déterminer en présence d'EGaIn liquide une ténacité de 1,57 ± 0.08 MPa m1/2 pour le laiton Cu-30%Zn.

This work presents a study of the liquid metal embrittlement (LME) phenomenon at room temperature on alpha brasses with different Zn content in contact with the liquid eutectic Ga-In (EGaIn). The liquid EGaIn wets pure Cu partially with a relatively low contact angle of 49 ± 5 °, which is lower for the alpha brasses and decreases with the Zn content alloy down to 36 ± 5 ° for the Cu-30%Zn alloy. Moreover, the CuGa2 intermetallic forms whenever the liquid EGaIn is in contact with Cu and the alpha brasses, independently of the Zn content. Testing with the 3-point bending test showed that the LME sensitivity by the EGaIn increases at higher strain rates, higher Zn content, and higher hardness. Whenever there is LME, the liquid EGaIn does not affect the fracture initiation but the fracture propagation; hence the samples systematically presented a ductile fracture initiation followed by a brittle intergranular fracture propagation. The CuGa2 intermetallic impedes the brittle fracture initiation by blocking the contact between the EGaIn and the alpha brasses from the early stages of the test. Later, when the intermetallic breaks, the liquid EGaIn comes into contact with the alpha brass making the LME possible if the brass is under sufficient plastic deformation. Due to the ductile fracture initiation, the Cu-30%Zn alloy does not present LME when tested using the standard Small Punch Test (SPT). In contrast, using pre-notched SPT samples enables the observation of this alloy's embrittlement in contact with the liquid EGaIn. Furthermore, due to the ductile fracture initiation, it is impossible to use the bending tests or the SPT to measure the fracture toughness related to the LME phenomenon. In contrast, in-situ micro-bending tests with a W protective layer were suitable for the fracture toughness measurement of Cu-30%Zn in contact with the EGaIn; for instance, a fracture toughness value of 1.57 ± 0.08 MPa m1/2 was measured with the double clamped beam test.