Etude structurale du beryllium par micrographie et microdiffraction electroniques sur coupes minces

JOURNAL

OF NUCLEAR

2, No. 4 (1960) 299-309, NORTR-HOLLAND

MATERIALS

ETUDE PAR

M~CRO~RAPHIE

STRUCTURALE

PUBLISHING

CO., AMSTERDAM

DU BERYLLIUM

ET MICRODIFFRA~T~ON

ELECTRONIQUES

SUR COUPES MINCES

A. SAULNIER Service

des Recherches

de

la

Cie.

Pkhiney,

Rec;u le 5 avril

Une technique

simple

coupes minces

de b&ryllium,

dans le microscope comparaison recuit,

des structures

de tables minces

largie

la repartition

billette

comprises

sage, les t&s

cette

La r&partition a,i&ment

de l’oxyde

et

sur

i?tre d&ermi&e

l’aide

de ri?pliques

leurs

franchement, dislocations

de migrations

dans le m%al ces

m&mes

can

with

diinne Sehnitte bar

fritte

coupes,

directly

observed

for comparing

est

Gefiige

im

par

herangezogen.

Xlle

billets

by

drawing

produced

by

were

dislocations

in the two

during

800-1000°

annealing

C also depends

of the metal

1.

observed

which

electron

sections.

metal

Alternatively,

determined

can

micrographhy by

an

or the

extraction

replicas.

can

und raschen

von Beryllium

Met.hode

herstellen,

Methode

werden

durch

Blocks

oder

fertigt.

Wichtige

herausgestellt

be

Gliihungen

und

geghihten

Unterschiede

eines

Material

Das Verhalten

worden.

gegossenen Wege

in der Verteilung

kaltverformten

zwischen

der

Zustand

diinnen Beryllium

Auswalzen

auf pulvermetallurgischem beim

werden

fiir einen Vergleich

Die zu verwendenden

Bleche

for

betrachtet

wird

kaltverformten

lassen sieh

die unmittel-

wiihrend

angeder sind der

1000” C h&n@ von der

800 und

of thin beryllium

aber es ktinnen in zunehmendem

microscope.

rolling

powder

structure.

und von demv~rformun~~ad ab. Die Bleche kcnnen entweder rekristallisieren oder

conditions, and

be

with

boundaries

both in the cold-worked

in an electron

differences metal

has been developed

beryllium

the structure,

and the annealed made

of

grain

in the sintered

Elektronenmikroskop Diese

extraction B

par

im

kiinnen.

de carbone.

sections

of

the aid of carbon

Mit einer einfachen

en

lentes

~lectroniques.

Bgalement

A simple and direct technique thin

by

of thin

distribution method

& des

of oxide

recognized

Versetzungen making

movement

manner,

gradually

et du t,aux d’&crouis-

microdiffraction

peut

be

eliminated

in the deformed

microdiffraction

d’Qcrouissage.

identifiable

mi~rographie

readily

Bcroui, ont Btb

soit reoristalliser

6limination

du grain

slow

present

in & straightforward

are

800 et 1000” C, dBpend

progressivement

accompagnant des joints

entre

dislocations

The distribution

dans

de recuits

else

already

ou par m&al-

B l’ktat

1960

simultaneous

par

importantes

au tours

d~~laboration

pouvant,

Bliminer

co&e

Des diff&ences

dos dislocations

temperatures

or

Elle est utiliske zt la obtenues

France

sheets either recrystallize

des

observables

it 1’8tat Bcroui et Li 1’6tat

Le oomportement

lui aussi du mode

d’obtenir

de b&yllium

d’une

des poudres.

relev8es.

permet

directement

Blectronique.

i3age et laminage

soit

et rapide

Chambkry,

either

cast

metallurgy. in

the

cases. The

aufgehoben

or

rung

Significant

behaviour

on the mode

and on the degree

sheets

billets,

distribution

at temperature

Art der Vorbehandlung

It is used

der

in den gleichen

of the

Mikroskopie Sie kann

of preparation

ermittelt

the

Introduction

Certains

verformter der Oxyde

Sehnitten und

Masse Versetzungen

was von einer langsamen

Grenzen

Die Verteilung

of

in the range

of deformation;

werden,

KBrner

im gesinterten

ebenfalls

mit

IIilfe

ist.

Metal1 ist

dumb Elektronen-

Elektronenbeugung

ebensogut

Wande-

begleitet

eines

fest,zustellen. Kohteabdrucks

werden.

attribuent

cette

fragilitd

& une pro-

priBtB intrins~que du m&al, cependant que d’autres la relient 8. la prt5sence d’impuret&. De m$me, la constatation a bien BtB faite que la rksistance $5 la rupture et les allongements augmentent lorsque la grosseur du grain

La fragilit6 et les m~~anismes de rupture du b8ryllium pose& aux laboratoires m6tallurgiques des Bnigmes que, ni les essais technologiques, ni les m&hodes analytiques, ni les Etudes de texture n’ont pu r&oudre jusqu’k p&sent. 299

diminue

mais

compktement rkseaux

on

qui conduisent

du grain

sont pour autant btkyllium.

des dislocations

& l’initiation

6lucidks

des criques. recristallisation

qui ne sont

pour

p&s des Les et

pas com-

les mktaux

dire inconnus

11 n’existe

k peu

et les modes d’interact’ion

de restauration,

grossissement pl&ement

encore

les propriMs

hexagonaux

ph&om&nes

prkcises

ignore

anciens,

dans le cas du

enfin que peu de donnees

sur le mode de r&partition

de l’oxyde

surface

et de quelques

d’kpaisseur

r&ilk&,

k la lime doucr.

L’amincissemcnt

suivi par dissolution

de InillimCtre

soit, par ~r6kveltientj

scie et amincissenient, laminage.

centiknes

est

ensuit’e

klectrolytique

h la

soit 1)ar pou I’-

& l’aide d’un

appareil semi-automatique analogue A celui qui est rep&sent6 sur la figure 1 et utilisant IF pro&d6 amincie

Knuth--Winterfkdt. mkcaniquement

de la cellule,

La

6tant

on la polit

p¶tion

plac&

& l’anode

alternativement

sur

par frittage bien que rkgisse I’inhibition

chacune de ses faces, pendant 5 .% 10 secondes chaque fois, jusqu’& destruction compkte de

du grossissement du grain et, probablement’, la modification des caractkristiques par irra-

la rkgion soumise au polissage. Les fragments qui Asultent de cette destruction sont entrain& dans le b&her qui contient l’klectrolyte. dprks les avoir recueillis et la&s B l’eau distillhe, on les examine dans le microscope 4lectronique. Si l’on utilise l’klectrolyte A;2, recommandi: par le constructeur de l’appareil pour le polissage du bkryllium. on obtient des micrographics

dans les produits Blabor& ce facteur fondamental

diation. Ainsi

se trouvent

brievement

soulignk

les

insuffisances de nos connaissances de base et les problAmes qui doivent Btre approfondis si l’on veut determiner les raisons de la fragilit6 du b&yllium et savoir en d&nitive s’il est possible ou non d’y remkdier. Apr&s l’tkhec des Etudes m6tallurgiques classiques, il convient dksormais de faire appel m&allographiques

& cet effet aux techniques les plus BvolwAes, A celle

qui sont parsemkes de taches noires. Nous n’avons pu determiner l’origine de ces attaques ; peutQtre fournissent-elles la possibilitk de

rk&ler des impure& $ 1’6tat de traces. Avec l’klectrolyte E2 par contre, constitu6 par surtout de l’examen direct de coupes metalliques 300 g de nitrate de cuivre, 900 cm3 d’alcool minces dans le microscope klectronique qui a rrkthylique et 30 cm3 d’acide nitrique, la remport& dans d’autres domaines, au tours des trois dernikres an&es d’incontestables SUCC~S. tension appliquGe aux bornes de la cellule &ant de 60 volts, on obtient des coupes parfaitement claires, saris attaque p&f&entielle et dans 2. MCthode d’amincissement lesquelles la sous-structure, les dislocations et Les premiers

essais d’observation

coupes minces de bkyllium,

directe

ont BtB effect&s

de par

Baird, Hartree et Phillips l). La mkthode g&&ale d’amincissement que nous avons eu, de notre c&5, l’occasion de dkvelopper, s’applique sans difficult6 au b&yllium “). Elle est commode, rapide et prksente l’avantage de ne pas faire intervenir d’tkrouissage parasite lorsque les Bchantillons ont &B prealablement laminks & quelques centibmes de millimi%re et trait& thermiquement & cette Bpaisseur. Elle est dkormais suffisamment connue de l’ensemble des chercheurs sp&ialis& pour qu’il soit inutile d’y revenir en d&ail. Le point de depart est constituk par des Bchantillons de quelques centimhtres car&s de

les phases

&rang&es

avec beaucoup

Fig.

1.

Appareil

sont

mises

en evidence

de contraste.

dc polissage automatique.

Qlectrolytique

semi-

l?TUDE

Fig.

3.

2.

TBle C, recuite

Elaboration

STRUCTURALE

1 h h 1000” C.

x 110.

de poursuivre par la technique des coupes minces, la comparaison entre produits Blabores a partir de metal coule ou de mat&es pulverulentes, precedemment entreprise par les methodes classiques 3). Le beryllium utilise dans ces essais Btait du propos6

metal de purete commerciale, dont l’analyse l’etat coule-file Btait la suivante:

ppm

Si

300 200

301

BkRYLLIUM

des Cchantillons

Nous nous sommes

Fe

DU

Cu
Mn <50

BeO:

Mg <50

0,l

Ti
Al 300

B <2

Fig.

3.

T61e F, apr&s filage. Particules

clair. Recristallisation

en bandes.

d’oxyde

en

x 370.

a

Cl cl00

& 0,3 76

A l’etat fritte, l’analyse demeure sensiblement la m&me mais le fer passe aux environs de 700 ppm et l’oxyde a 0,7-O,8 %. Des tales minces ont et& realisees par les deux processus sommairement decrits ci-apres : 1) Tale

C,

a partir

de

metal

could.

Une billette coulee de 2,5 kg, a et6 filee en largets de 50 x 15 mm, laminee a 800” C, en travers par rapport au filage, de 15 mm a Z/l0 mm, puis a froid de Z/l0 a 5/100 mm. Un traitement thermique de 1 h a 800” C ou a 1000” C, effectue sous vide a l’epaisseur de 5/100 mm, provoque la recristallisation en grains reguliers polygonaux (fig. 2).

Fig.

4.

T61e F,

apr&

laminage

looo” c.

x 130.

et recuit de 1 h &

2) T61e des

E’,

Blaborke

par

m&tallurgie

poudres.

La poudre,

de grain

moyen

voisin

de

80

& froid

& 500” C puis filke & 1000” C en largets de

50 x 15 mm. Aprks filage, la texture orientke;

l’oxyde,

taches blanches bandes

identifiable

sous

est t&s forme

de

sur la figure 3, est rkparti en

discontinues

Leur

intfkieur

est, recouvwt

allongt$es dans le sens du

filage. Entre les bandes d’oxyde, le m&al est recristallise en grains fins irrkguliers. Les largets tronqonnks sont lamin&, en travers par rapport au filage, de 15 mm B l/l0 mm B chaud et ensuite & froid de l/l0 & 7/100 mm. Apr&s laminage & froid, la texture de filage a

Le recuit de 30 minutes & 800” C sous vitlr. B l’kpaisseur de 5/100 mm, fait disparaitre Ia majorit

de ces ensembles de dislocations

plages observkes

sent’ uniformes

et sans struc-

reproduit

sur la figure 9 et qui a BtB obtenu par

traitement r&eaux

de

1 h B 1000” C. Quelques

de dislocations

peuvent

cependant

4.1.

Examen au microscope coupes minces T6LE

Clectronique,

Fig.

5.

Tale F, brute de laminagc.

sur

c:

Aprk amincissement par la mkthode que nous avons exposke, les coupes sont claires et ne prksentent que t&s peu d’oxyde et de constituants hors solution lors de l’examen au microscope klectronique. A 1’6tat brut de laminage & froid (figs. 7 et S), les monocristaux sont divis& en bandes ou ensembles polygonaux de sous-grains dont les dimensions varient de 1 micron B une dizaine de microns. Ces sousgrains sont s&par& par des front’ikres t&s

rarcs htre

observks sur certaines plages, soit qu’ils aient. survku au traitement’ thermique, soit, qu’ils proviennent d’une Kg&e dkformat’ion plastique

isolees et’ de quelques agregats. Un recuit sous vide pendant 1 11 & 1000” C ne modifie pas radicalement cette structure qui demeure irrdgulibre avec des contours de grains incurvks (fig. 4 que l’on comparera & la fig. 2). Le diagramme de Debye-Scherrer pris aprks laminage & froid (fig. 5) est caractkistique de 1’8tat Bcroui. Les points blancs qui parsement les anneaux proviennent probablement de grains qui n’ont BtB que peu deform& par le faible taux d’&rouissage. Apr&s recuit de 1 h B 1000” C! (fig. 6), le diagramme est de type recristallis&.

et 1~s

ture. L’aspect des coupes minces est celui qui cst

disparu et la structure micrographique est constituke de grains & contours irrkguliers, sans orientation visible. L’oxyde est rkparti dans toute la t81e sous forme de t&s fines particules

4.

(l‘rl11

rkseau t&s dense de dislocations.

microns, a 8% comprimbe successivement et

marqukes.

Fig.

6.

TBle F, recuite

1 h ii 1000” C’.

Fig.

Figs.

7 et 8.

7

Fig. 8 Tale C, brute de hninage.

I Coupes minces.

x

16 000.

I 1P

~Sous-strtdtirc!~

I. Un

aspect

t,>rpique de

ces

coulres,

ill)l+S

laminage & froid, est rep&sent6 snr la figure 12. L’interpr&tion d’un

diagramme

effect& sit&e

peut en ?tre don&e de alicrodiffract,ioll

B I’airle (tig.

I :i)

sur une plage de 3 microns de diam&w au centre de la figure 12: 1,~ tklouble-

ment des taches de diffraction

indiqw

yue l’on

est en prksence de deux sous-grains, d’orientation moyenne (1 oil),La ligne horizontale qui &pare la figure 12 en deux Ijarties & lreu prhs &gales, constitue le joint entre ces sous-grains. Les veines Bpaisses qui aboutissent & ce sousjoint sont ~oI~st,it~~~espar des ensembles complexes de dislocat,ions. D’autres tiislocatiotis mains cienses sont Bgalement idenbifiables. Les

lors de la manipulation dos pr6parations: sur la figure 10 par exemple, on reconnaitra un “empilement” de dislocations dans un plan de glissement contre un joint de grains (marquk par une f&he). Un autre syst&me de dislocations tend B donner par intersection avec un rkseau hexagonal. Un cet empilement, ph&om&ne analogue, & un stade plus avan&, a 8th enregistr& sur la figure 11. A quelques irr~gularit~s p&s, la maille du r&eau hexagonal de dislocations devient de plus en plus grande lorsqu’on s’kloigne du joint (rep& par des fl&ches) comme on peut s’y attendre

d’apr8s la

loi qui rkgit l’empilement des dislocations dans un plan de glissement contre nn obstaole fixe. On identifiera sur la m&e figure un second empilement de dislocations, situ6 dans lo grain adjacent. 4.2.

T&E

particules d’oxyde? reprksentkes par de petites taches grises de 1jlW de micron environ, sont peu nombrel~ses ce qui explique yne l’oxyde n’ait don& sur le diagramme de la figure 13, ni taches, ni anneaux. 1.

O&e

La figure 13 reprfkente au contraire une plage dans laquelle sont pr&entes peu de dislocations, mais de nombreuses particules d’oxyde, les unes disperskes, les autres agglon&%es en un agrkgat long de 5 microns. Ces partieules font apparaitre sur le diagramme de nlicro-diffracti correspondant (fig. 16) les anneaux ponctuks de l’oxyde BeO. Les taches de diffraction appartiennent B deux cristaux de b6ryllium au moins. Grbce & elles, un joint de grains, par ailleurs peu visible, a 6th ident%& 11 est rep&k par une f&he sur la figure 14. On remarquera que l’agrdgat d’oxyde est intragranulaire et non pas situ8 & la limite actuelle des grains.

2’

obtenues B partir de m&al Les coupes, Blabor par la mktallurgie des poudres, sont assez sensiblement diff&entes des pr&Sdentes : la sous-structure y est moins nettement d6limit&e et tes micrographics sont parsemdes de taches sombres, isol6es ou agglom&fSes qui correspondent aux particules d’oxyde.

Des recuits sous vide ont BtB effectutk sur cette t61e & 1’6paisseur de Y/l00 mm. Aprks un recuit de 30 min B X00” C, les images s’hclaircissent par disparition des veines kpaisses de dislocat’ions; cependant des sow-joints subsistent ainsi que des dislocations dent, le d&placement a &5 freine par des particules d’oxyde et

.I .^^.^. Fig. 10

Fi@.

10 et 11.

‘Me

Fig. 11 C, recuite 1 h h. 1000” C. Coupes minces.

x 100 000.

L;--’ iGP

A.

306

Fig.

13.

Jlicrodiffraction Figs.

SBULNIER

de la fig. 12. Coupe (1011). 12-15.

T61e F. Etat

brut

Fig.

15.

de laminage.

Microdiffraction de la fig. l’O.qYl~~. Coupes

minces.

X 12 000.

11. Anncallx

tit:

Fig.

Figs.

16 et 17.

Tble F. Etat

16.

Coupe (0001).

Fig. 17 recuit 30 min & 800” C. Coupes minces.

x

80 000.

?

iiiru

308

A.

qui y demeurent

SAULNIEI(

ancrdes (figs. 16 et 17). 8pr&s a encore

3 h & 800” C, la dens&k des dislocations

amBliore grandement les caract&istiqurs mkaniques, entraine la recristallisat~ion (111m&al (,’

diminu6 ; il en demeure

ce~ell~l~~nt, un assez

et,

grand

en parois

ph6nombnes

nombre,

group&s

grains. De m&me, un traitement

de sous-

de 1,5 minutes

& 850” C a pour effet de simplifier les rkseaux de dislocations

qui ne disparaissent

cependant

pas

compl~tement. Dans des ~~hallt,illons t.rait& pendant i heure & 1000” C, nous a,vons encore trouv6 des rkseaux analogues, que les diagrammes

en m&me temps

de Debye-Scherrer

donnent

des rksultats irrbguliers qui peuvent Btre interp&t& comme correspondant, & unc recristallisation partielle. 11 semble done que l’am&oration des caracMristiques que l’on enregistre par recuit & 800” C “) est li6e B la disparition observee d’ensembles complexes de dislocations; l’&mination compl&e des d6fauts de struckwe r&ultant de l’krouissage n’est ensuite que lente et progressive et encore t&s incompkte au bout de 1 h & 1000” C. La “recristallisation” dans ce cas part,iculier oh le taux d’kcrouissage rGalis& au tours du laminage & froid est faible, prend ainsi un aspect qui est essentiellement celui du perfectionnement de la sous-structure par Blimination des dislocations et du grossissement du grain existant. Now retrouvons le Asultat pr&&demment signal4 dans 1’6tude du traitement ther~nique de tciles de titane faihlement Bcrouies 415). D’aprk les micrographics enregistrkes,

on peut estimer

par ailleurs que

les particules d’oxyde freinent la disparition des dislocations en les ancrant et contribuent sans doute $ donner au ph~norn~l~e son caract&e de lenteur et de progressivitk. 5.

Conclusion

Dans les conditions oti nous avons opM, le faminage B froid fait apparaitre dans le m&al C coul& fil& lamink, une sous-structure &guli&re et des rkseaux denses mais clairs de dislocations ; dans les tciles .F 6laborkes par la mktallurgie des poudres, nne sous-structure beaucoup moins nette et des enchev&rements complexes de dislocations en veines Bpaisses. Le recuit effect& entre 800 et 1000” C qui

pour

le m6tal

I!! fil~it~lel~l~~ll~, Gcroui,

progress&

de

cles

l)erfectionneme~lt~

6TUDE

par elimination joints

des dislocations

STRUCTURALE

et migration des

Dans les tbles realisees par la metallurgic

des

eat present sous forme de de micron environ, dispersees

dans tout le produit

avec une densite qui peut

varier sensiblement

d’une

particules agregats

peuvent dont

sieurs microns.

plage a l’autre.

se trouver

les dimensions

309

B6RYLLIUM

et que, lorsque ces barrieres d’oxyde elles sont de toutes

du grain d’ecrouissage.

poudres, l’oxyde particules de l/10’

DU

agglomerees atteignent

Dans des tales d’origine

Ces en

fagons

t&s

existent,

discontinues.

Nos remerciements vont a MM. Billamboz et Mirand pour leur precieuse collaboration technique a ce travail et a la Direction de la Compagnie

Pechiney

qui

en

a

autorise

la

publication.

pluBtran-

g&e, nous avons d&elk par ailleurs des cristaux plus gros (fig. 18) qui correspondent probablement a l’oxydation complete d’une fine paillette de poudre. L’ensemble de nos observations sur coupes minces, completees par des extractions de l’oxyde a l’aide de repliques de carbone (fig. 19), indique que les particules et agregats d’oxyde dans les tales ne sont qu’accidentellement disperses aux joints des grains actuels

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