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Déformation et microstructures

Les mécanismes permettant une déformation "ductile", c’est-à-dire sans rupture des roches ou autres matériaux polycristallins comme la glace, les métaux et les céramiques, sont connus depuis le début du XXème siècle. Ils impliquent le mouvement de défauts à l’intérieur des cristaux (grains) ou à leurs limites (joints de grain). Toutefois, plusieurs questions restent ouvertes : quelle est la contribution relative des mécanismes à l’intérieur et aux joints de grain à la déformation totale d’une roche ? Comment ces contributions varient en fonction de changements dans les conditions physico-chimiques, mais aussi de la microstructure des roches, qui est, à son tour, modifiée par la déformation ? Quelles sont les rétroactions possibles entre évolution de la microstructure et distribution de la déformation ? A quelles échelles ces rétroactions se font-elles ? L’observation in situ de l’évolution des microstructures lors d’expériences de déformation apporte des réponses à ces questions.

A Géosciences Montpellier, le développement de ces techniques a démarré avec l’acquisition en 2008 du microscope électronique à balayage à émission de champ Camscan Crystal Probe X500 FE (cf. photo ci-contre) dédié à la cartographie des orientations cristallographiques à haute résolution.
Cet instrument national1 s’est enrichi ces dernières années grâce à l’acquisition et la construction de platines, l’une cryogénique pour l’étude de la glace, l’autre chauffante pour des essais de recuit. Tout récemment, une caméra EBSD Oxford Symmetry de technologie CMOS et d’un nouveau détecteur EDS2 ont complété le dispositif ainsi que l’acquisition et la mise en service de la platine de déformation à chaud NewTec MT100 (cf. photo ci-dessous) financée dans le cadre de l’ANR DREAM.

Les premières expériences de déformation avec suivi in situ, réalisées le mois dernier par Marco Antonio Lopez-Sanchez, postdoctorant GM dans l’équipe Manteau et Interface et Fabrice Barou, IR-CNRS, responsable de l’instrument national INSU Crystal Probe, illustrent tout le potentiel de la méthode. Ils ont suivi l’évolution de la microstructure (arrangement, forme et taille des grains) et des orientations cristallographiques dans un acier (304L) pendant un essai de traction à 300 °C jusqu’à 25 % d’extension.
L’analyse de films montés à partir de cartographies EBSD réalisées à différents stades de ces essais permet non-seulement de quantifier l’évolution des formes et orientations des grains au cours de la déformation (film 1),

mais aussi, dans chaque grain, la distorsion du réseau cristallin due à l’accumulation de dislocations à l’intérieur des cristaux (film 2).

Ce dernier phénomène peut ainsi être directement relié au durcissement observé dans les courbes mécaniques enregistrées pendant l’essai de traction.
Ces études se poursuivront en 2020 par la caractérisation de l’effet de la recristallisation dynamique sur la localisation de la déformation. Le travail portera sur des matériaux analogues, car il est impossible de déformer ductilement une roche composée de minéraux silicatés très réfractaires, tels que le quartz ou l’olivine, aux conditions de pression (1-5 Pa) nécessaires à la cartographie des orientations cristallographiques par EBSD. Le matériel choisi – un alliage de magnésium polycristallin – partage deux caractéristiques essentielles avec les minéraux composant la croûte et le manteau : il se déforme par les mêmes processus et est très anisotrope, ce qui induit une déformation hétérogène et favorise la recristallisation.

1 plateforme INSU EBSD Cartographie Cristallographique à Haute Résolution par Diffraction d’Electrons Rétrodiffusés
2 financement conjoint INSU – MUSE


Le bulletin du laboratoire Géosciences Montpellier n°20 - novembre/décembre 2019