Brevet FR2796150A1 — publié le 20010112

La présente invention est relative à un procédé de caractérisation mécanique d'un matériau hétérogène à l'échelle micronique par nano-indentation, ainsi qu'à l'application d'un tel procédé à la caractérisation mécanique d'un mortier ou d'un béton. Les mesures de dureté permettent de déterminer le comportement élastique, anélastique, plastique, visqueux ou à la rupture des matériaux. Avec les dispositifs de mesures conventionnelles (dureté ou microdureté), les empreintes de dureté ou la profondeur de pénétration est de l'ordre du micron. Ces dimensions permettent déjà d'accéder aux propriétés de chacune des phases dans un matériau ou aux propriétés de particules microscopiques contenues dans une matrice. Mais ces performances sont très insuffisantes pour pouvoir accéder au comportement mécanique de particules submicroniques, de films minces, de revêtements ou de couches implantées. II est nécessaire d'utiliser des appareils spécifiques correctement instrumentés permettant de connaître le comportement élastique et plastique de volumes submicroniques d'un matériau. Ce type de microsonde mécanique ou indenteur permet de mesurer le module élastique, la résistance, la résistance au fluage, la relaxation de contraintes ou la ténacité de matériaux. Les empreintes devenant submicroniques, la microscopie électronique doit être utilisée pour mesurer leur taille. Il est alors préférable de mesurer continûment le déplacement de l'indenteur durant le chargement, ce qui permet d'accéder à la déformation élastique et plastique. L'indentation permet d'accéder au module élastique, à la dureté et au comportement à la rupture des matériaux par formation de fissures. De nombreuses analyses permettent ainsi d'accéder au facteur critique d'intensité de contraintes ou ténacité Kc du matériau. Le niveau de charge nécessaire pour obtenir une microfissuration correspond à des profondeurs d'empreintes de l'ordre du micron et il est par conséquent difficile d'évaluer la ténacité de couches superficielles d'épaisseur beaucoup plus faible que le micron. Toutefois pour de faibles charges, il se produit une fissuration particulière (type Palmqvist) plus sensible aux couches superficielles. Les charges appliquées à un indenteur sont très variables suivant le type d'indentation et définissent différents domaines de mesure: on parle de macrodureté pour des essais effectués avec des charges supérieures à 10 N, de microdureté pour des charges allant de 0,1 N jusqu'aux charges de 10 N et d'ultra-microdureté ou de nanodureté pour des charges inférieure à 0,1 N et souvent de l'ordre de 1 mN. Des nouveaux instruments de mesure dits de nano- indentation permettent d'appliquer des charges de quelques milli- newtons. Ils autorisent des mesures de propriétés mécaniques de couches minces et de matériaux traités en surface (revêtements, couches implantées, etc..... ) ayant quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur et notamment de mesurer l'évolution de la dureté et du module élastique. Ces systèmes sont généralement composés d'une pyramide à base carrée de type Vickers ou triangulaire équilatérale de type Berkovich, de telles pointes présentant l'avantage de pouvoir être obtenues avec une bonne précision. La technique de nano-indentation est fondée sur l'enregistrement en continu de la force appliquée sur l'indenteur. L'air de contact pointe/échantillon est déterminé par modélisation. II est notamment possible de contrôler la capacité de fluage d'un matériau, en laissant la charge maximale appliquée pendant un temps variable de quelques secondes. Les techniques de nano-indentation sont applicables à des matériaux hétérogènes. On peut ainsi envisager, par exemple de déterminer le module d'élasticité et la dureté de chaque phase dans des composés polyphasiques tels que des matériaux cimentaires, à l'état sub-micronique et dans l'état où cette phase se trouve réellement dans le matériau. Cependant, la technique de nano-indentation s'avère insatisfaisante pour des matériaux multi- échelles complexes, tels que des bétons, car leur hétérogénéité nécessite une identification précise des phases étudiées à l'intérieur d'un échantillon. Il n'est donc pas possible de relier ces phases à leurs propriétés car, après avoir effectué les mesures de nano-indentation, on ne dispose pas de moyen pour identifier précisément les points soumis auparavant à des contraintes afin d'effectuer des analyses ponctuelles. Cette difficulté est d'autant plus grande que pour garder le caractère réversible des déformations, les empreintes de mesure formées lors des indentations sont les plus petites possibles et donc souvent peu visibles, même par microscopie. L'invention vise un procédé de caractérisation mécanique d'un matériau hétérogène à l'échelle micronique par nano- indentation, autorisant un repérage précis des points de mesures mécaniques effectuées par nano-indentation sur le matériau. Le procédé de l'invention autorise un tel repérage, notamment pour des analyses chimiques, de manière simple, rapide et précise. De plus, ce procédé est économique. Le procédé permet notamment d'étudier les propriétés mécaniques telles que le module d'élasticité et la dureté, de différentes phases d'un matériau. On peut ainsi évaluer le rôle d'un point de vue mécanique des différentes phases et leur contribution respective aux propriétés macroscopiques, ainsi qu'alimenter des modèles mécaniques de résistance à l'endommagement. Le procédé de l'invention s'applique en particulier à des liants hydrauliques, et peut permettre de mieux appréhender l'initiation de l'endommagement et la propagation des fissures dans des matrices cimentaires. L'invention vise ainsi également l'application du procédé à la caractérisation mécanique d'un mortier ou d'un béton. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de caractérisation mécanique d'un matériau hétérogène à l'échelle micronique par nano-indentation, dans lequel: # on applique au moyen d'au moins une pointe au moins une charge de mesure inférieure à 0,1 N, préférentiellement inférieure à 10 mN, en au moins un point de la surface du matériau de manière à produire une déformation du matériau, # on mesure des contraintes produites par cette pointe en ce point. Selon l'invention, on repère les emplacements des points de mesure de la manière suivante: # avant l'application des charges, on forme à la surface du matériau au moins deux zones de repérage encadrant au moins une zone de mesure, cette zone de mesure ayant entre les zones de repérage adjacentes et environ transversalement à ces zones, une dimension transversale suffisamment petite pour permettre une identification aisée d'une empreinte de mesure selon cette dimension, # on applique les charges dans les zones de mesure, # en chacun de ces points, on applique une charge de repérage dépassant la limite élastique du matériau en ce point de manière à former une empreinte de mesure, et # on repère les points d'application des charges au moyen des zones de repérage. L'invention repose donc notamment sur la présence des zones de repérage et sur la formation des empreintes de mesure aux points de mesure mécanique. Ces caractéristiques permettent d'identifier tout d'abord, très simplement, une zone de repérage concernée, puis d'y retrouver les empreintes de mesure donc les points d'application des charges. Les charges de repérage ne sont pas prises en compte dans les mesures. Préférentiellement, dans chacune des zones de mesure, on réalise au moins une première et une deuxième empreintes de repérage entre lesquelles sont produites les empreintes de mesure, ces empreintes de repérage étant plus importantes et ainsi plus facilement repérables que les empreintes de mesure. L'identification des points de mesure s'effectue donc dans un premier temps par le repérage de la zone de mesure concernée grâce aux empreintes de repérage, puis dans un second temps par l'identification des points de mesure eux-mêmes au sein de cette zone de mesure, grâce aux empreintes de mesure et aux zones de repérage adjacentes. De préférence, aucune mesure n'est faite sur les empreintes de repérage. II est alors intéressant qu'on produise successivement dans la zone de mesure, la première empreinte de repérage, les empreintes de mesure et la deuxième empreinte de repérage. Ceci permet de procéder aux mesures mécaniques dans une zone de mesure en progressant régulièrement d'un endroit à un autre de cette zone, sans avoir à retourner en arrière pour produire l'une des empreintes de repérage. Avantageusement, les déformations produites par les charges de mesure sont au voisinage de la limite élastique et on applique les charges de repérage en chacun des points aussitôt après avoir appliqué les charges de mesure en ce point. On peut ainsi procéder régulièrement aux mesures de nano- indentation, du premier jusqu'au dernier point de mesure de la zone de mesure. Les zones de repérage sont avantageusement visibles au moyen d'un microscope optique ou électronique de grossissement supérieur à 500. Dans un mode avantageux de mise en oeuvre, on forme les zones de repérage par dépôt de couches minces d'un produit de dépôt, préférentiellement un alliage or-palladium. Dans des variantes de réalisation, on utilise de l'or, du nickel ou du cadmium. On procède alors avantageusement de la manière suivante pour effectuer le dépôt des couches minces: # on dépose sur la surface du matériau un support perforé comprenant des parties pleines et des parties évidées entre les parties pleines, # on effectue le dépôt sur le support, et # on retire le support. De la sorte, on obtient les zones de repérage et de mesure correspondant respectivement aux parties évidées et pleines. Cette technique, simple à mettre en oeuvre, permet d'obtenir la précision voulue. Préférentiellement, le support perforé est une grille. On peut par exemple utiliser des grilles utilisées comme porte-échantillons dans des microscopes électroniques à transmission. Avantageusement: # on effectue les mesures par nano-indentation sous microscope optique, # on repère les empreintes sous microscope électronique à balayage, et # on mesure des compositions chimiques locales, préférentiellement par une méthode spectroscopique. On obtient ainsi un repérage très efficace des empreintes, en particulier des empreintes de mesure, en évitant de perturber les mesures de nano-indentation. De plus, l'utilisation du microscope électronique à balayage pour le repérage des empreintes permet également de procéder à des analyses de phase en les points identifiés. Le procédé de l'invention offre la possibilité d'estimer très rapidement l'impact du changement d'un composant du matériau hétérogène. Outre les mesures du module d'élasticité et de la dureté, il permet également d'étudier le fluage et/ou la ténacité du matériau. II est avantageux d'utiliser des propriétés mécaniques locales des différentes phases d'un matériau en évaluant les propriétés mécaniques globales du matériau hétérogène, de préférence au moyen des méthodes de modélisation numérique telles que par exemple les méthodes d'éléments finis ou de différences finies, ou éventuellement au moyen de modèles analytiques. Dans cette technique utilisant le microscope électronique à balayage, la dimension transversale des zones de mesure est avantageusement comprise entre une et trois fois le champ de vision du microscope électronique à balayage. Dans une forme avantageuse des zones de repérage, celles- ci encadrent les zones de mesure selon deux dimensions, de manière à former un réseau des zones de mesure. Dans une autre forme avantageuse, elles encadrent les zones de mesure selon une dimension, de manière à former des couloirs, préférentiellement rectilignes et parallèles. L'invention s'applique également à l'application du procédé de caractérisation mécanique d'un matériau hétérogène selon l'invention à la caractérisation mécanique d'un mortier ou d'un béton. Le matériau hétérogène étant alors constitué de phases de natures diverses, telles que hydrates de ciment, clinker, sable, granulats ou fibres: # on procède aux mesures mécaniques pour plusieurs de ces phases et on caractérise ces phases chimiquement, et # on extrait des propriétés mécaniques de ces phases à partir des mesures, les propriétés mécaniques comprenant préférentiellement le module d'élasticité, la dureté, et le fluage. L'invention sera mieux comprise au moyen d'exemples particuliers de mise en oeuvre nullement limitatifs, au regard des dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 montre un schéma de principe d'un nano- indenteur utilisé notamment pour la mise en oeuvre du procédé de caractérisation mécanique selon l'invention. La Figure 2 représente un échantillon de béton enrobé et poli. La Figure 3 montre avec un fort grossissement (d'environ 300) une zone de l'échantillon de la Figure 2, recouverte d'une grille pour mettre en oeuvre une étape du procédé de caractérisation mécanique de l'invention, la grille étant schématisée avec un nombre très réduit d'interstices. La Figure 4 montre la zone de la Figure 3 après recouvrement de la grille par un dépôt constitué d'un alliage d'or et de palladium. La Figure 5 montre la zone des Figures 3 et 4 après retrait de la grille, et après mise en oeuvre d'étapes ultérieures du procédé de caractérisation mécanique de l'invention, et La Figure 6 représente les résultats de mesure obtenus par le procédé de caractérisation mécanique de l'invention appliqué à une matrice de béton à poudre réactive, sous la forme de points donnant le module d'élasticité (axe 61 en GPa) et la dureté (axe 62, en GPa) en fonction du rapport chaux sur silice (CIS). Un nano-indenteur (Figure 1) comporte une pointe 1 en diamant, en forme de pyramide à base triangulaire (c'est-à-dire de type Berkovich). Cette pointe 1 présente l'intérêt d'avoir une pointe très bien définie. Dans une variante de réalisation, la pointe utilisée est en forme de pyramide à base carrée (de type Vickers). La pointe 1 est portée par une colonne 2 suspendue par des ressorts flexibles 3 et surmontée d'une bobine 4. Cette colonne 2 est disposée sous un aimant 5 faisant face à la bobine 4, et un générateur de courant 6 contrôlé par un micro-ordinateur 7 permet de faire circuler un courant dans la bobine 4. On peut ainsi appliquer une force au niveau de la pointe 1, en faisant varier les vitesses de mise en charge ou de décharge de plusieurs ordres de grandeur. On peut également maintenir une charge constante. L'indenteur comporte également une capacité 9 ayant une plaque centrale traversée par la colonne 2, cette capacité 9 étant reliée à une unité 8 de mesure de déplacement, elle-même connectée au micro-ordinateur 7. La pointe 1 du nano-indenteur est disposée au-dessus d'une table 10 X-Y destinée à recevoir un échantillon 15. Cette table 10 est reliée à une unité 11 de contrôle de table, également connectée au micro-ordinateur 7. Les mesures de nano-indentation sont appliquées à un échantillon 15, constitué par exemple d'une parcelle 20 de béton à mesurer imprégnée dans de la résine 21 époxy (Figure 2). On fait alors subir à l'échantillon 15 constitué de la parcelle 20 de béton et de la résine 21 le traitement qui suit. Tout d'abord, on polit l'ensemble, par exemple à 0,25 pm. On applique ensuite une grille 25 en une zone 22 de la parcelle 20 de béton, cette zone 22 étant située sur une des phases à analyser, préférentiellement par collage (Figures 2 et 3). Cette grille 25 a par exemple une forme de disque ayant 3 mm de diamètre. Elle comporte une partie pleine 35 creusée d'évidements 32-34, qui forment sensiblement des raies parallèles. Ces évidements 31-34 sont espacés alternativement de quelques microns et sont séparés par des portions rectilignes 36-38 de la partie pleine 35. On applique ensuite un dépôt 27 constitué d'un alliage d'or et de palladium de quelques nanomètres sur l'échantillon 15 (Figure 4), puis on enlève le grille 25. La zone 22 de l'échantillon 15 est alors entièrement recouverte par le dépôt 27, excepté à l'emplacement de la partie pleine 35 de la grille 25. Les portions rectilignes 36-38 pleines de la grille 25 donnent ainsi respectivement des couloirs 46-48 de mesure, qui sont encadrés par des zones de repérage 41-44 formées respectivement au moyen des évidements 31-34 de la grille 25 (Figure 5). L'échantillon 15 étant ainsi préparé, éventuellement par le traitement de plusieurs zones de la parcelle 20 de béton de cet échantillon 15, on effectue ensuite des essais de nano-indentation au moyen du nano-indenteur (Figure 1), à l'intérieur d'un ou plusieurs des couloirs 46-48, sous microscope optique. On procède aux mesures de nano-indentation par exemple de la manière qui suit, pour l'un des couloirs de mesure 46 (Figure 5). On dispose tout d'abord la pointe 1 du nano-indenteur à une extrémité du couloir 46 et on réalise une première empreinte 51 de repérage, dont la mesure mécanique n'est pas prise en compte et qui est plus importante donc plus visible que les empreintes produites ensuite dans le couloir 46. On effectue ensuite des mesures de nano-indentation à des intervalles réguliers au sein du couloir 46. Pour chacune de ces mesures, on effectue par exemple les opérations suivantes: # on asservit la pointe 1 de manière à obtenir une charge constante sur l'échantillon 15, au moyen du système électromagnétique comprenant les éléments 4 à 7, # on détermine la contrainte produite au point d'application de la charge en mesurant le courant injecté dans la bobine 4, et # on calcule la déformation produite en ce point au moyen d'une modélisation. Dans une variante de mise en oeuvre, on impose une déformation constante sur l'échantillon 15. De préférence, les déformations sont élastiques et proches de la limite élastique. Dans d'autres formes de mise en oeuvre, on dépasse la limite élastique en effectuant des essais de ténacité, Après les mesures de nano-indentation en chacun des points de mesure, on applique en ce point une charge de repérage non prise en compte dans les résultats, qui dépasse la limite élastique du matériau de manière à former une empreinte de mesure. On passe ensuite à un autre point en suivant le couloir 46. Finalement, à la suite des mesures effectuées dans le couloir 46, on réalise une seconde empreinte de repérage 52, qui comme la première empreinte de repérage 51 est plus importante que les empreintes de mesure (Figure 5), de telle sorte que les empreintes de mesure sont réparties dans le couloir 46 entre les empreintes de repérage 51 et 52. Ultérieurement, on retrouve les empreintes de mesure au moyen des empreintes de repérage 51 et 52 et des zones de repérage 41-44, de préférence sous microscope électronique à balayage, et on effectue en chacun des points de mesure ainsi identifiés, une analyse ponctuelle. Selon différents modes de mise en oeuvre, on commence par marquer au moyen de grilles toutes les zones d'analyse, puis on procède aux mesures de nano-identation et ensuite aux analyses chimiques, ou on étudie successivement chaque phase présente dans la parcelle 20 de béton, en répétant les opérations ci-dessus successivement pour chacune des phases. Des essais effectués sur une matrice de béton à poudre réactive ont donné les résultats exposés ci-après. On a obtenu le module d'élasticité E et la dureté H pour plusieurs phases de cette matrice, en fonction du rapport chaux sur silice (CIS) de la phase concernée. Les résultats sont représentés sous forme de points (Figure 6) dans un repère donnant le module d'élasticité (axe 61 en GPa) et la dureté (axe 62 en GPa) en fonction du rapport C/S (axe 63). On reconnaît dans la matrice de béton: la phase liante, le quartz, le clinker C3S et l'interphase, pour lesquels les points de mesure sont respectivement référencés 71, 73, 75 et 77 pour le module d'élasticité et 72, 74, 76 et 78 pour la dureté. On constate en particulier que les valeurs des modules d'élasticité et de la dureté de la phase liante dans le béton sont supérieures à celles obtenues pour des hydrates, ce qui peut s'expliquer par l'effet de fumées de silice ou de farine de quartz. REVENDICATIONS 1. Procédé de caractérisation mécanique d'un matériau hétérogène à l'échelle micronique par nano-indentation, dans lequel: # on applique au moyen d'au moins une pointe (1) au moins une charge de mesure inférieure à 0,1 N, préférentiellement inférieure à 10 mN, en au moins un point de la surface du matériau (20) de manière à produire une déformation du matériau, # on mesure des contraintes produites par ladite pointe (1) en ledit point, caractérisé en ce qu'on repère les emplacements desdits points de mesure de la manière suivante: # avant l'application desdites charges, on forme à la surface du matériau (20) au moins deux zones de repérage (41-44) encadrant au moins une zone de mesure (46-48) , ladite zone de mesure (46-48) ayant entre les zones de repérage (41-44) adjacentes et environ transversalement auxdites zones, une dimension transversale suffisamment petite pour permettre une identification aisée d'une empreinte de mesure selon ladite dimension, # on applique lesdites charges dans lesdites zones de mesure (46-48), # en chacun desdits points, on applique une charge de repérage dépassant la limite élastique du matériau en ledit point de manière à former une empreinte de mesure, et # on repère les points d'application desdites charges au moyen desdites zones de repérage (46-48). 2. Procédé de caractérisation mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans chacune desdites zones de mesure (46-48), on réalise au moins une première et une deuxième empreintes de repérage (51, 52) entre lesquelles sont produites les empreintes de mesure, lesdites empreintes de repérage étant plus importantes et ainsi plus facilement repérables que les empreintes de mesure. 3. Procédé de caractérisation mécanique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on produit successivement dans ladite zone de mesure, la première empreinte de repérage (51), les empreintes de mesure et la deuxième empreinte de repérage (52). 4. Procédé de caractérisation mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les déformations produites par les charges de mesure sont au voisinage de la limite élastique et en ce qu'on applique les charges de repérage en chacun desdits points aussitôt après avoir appliqué lesdites charges de mesure en ledit point. 5. Procédé de caractérisation mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les zones de repérage (41-44) sont visibles au moyen d'un microscope optique ou électronique de grossissement supérieur à 500. 6. Procédé de caractérisation mécanique selon l'une quelconque des revendication 1 à 5, caractérisé en ce que l'on forme les zones de repérage (41-44) par dépôt de couches minces d'un produit de dépôt, préférentiellement un alliage or-palladium. 7. Procédé de caractérisation mécanique selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour effectuer le dépôt desdites couches minces: # on dispose sur la surface du matériau (20) un support perforé (25) comprenant des parties pleines (35-38) et des parties (31-34) évidées entre les parties pleines, # on effectue le dépôt sur le support (25), et # on retire le support (25), de telle sorte qu'on obtient les zones de repérage (41-44) et de mesure (46-48) correspondant respectivement aux parties évidées (31-34) et pleines (35-38). 8. Procédé de caractérisation mécanique selon la revendication 7 caractérisé en ce que le support perforé (25) est une grille. 9. Procédé de caractérisation mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que: # on effectue les mesures par nano-indentation sous microscope optique, # on repère les empreintes sous microscope électronique à balayage, et # on mesure des compositions chimiques locales, préférentiellement par une méthode spectroscopique. 10. Procédé de caractérisation mécanique selon la revendication 9, caractérisé en ce que la dimension transversale des zones de mesure (46-48) est comprise entre une et trois fois le champ de vision du microscope électronique à balayage. 11. Procédé de caractérisation mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les zones de repérage encadrent les zones de mesure selon deux dimensions, de manière à former un réseau desdites zones de mesure. 12. Application du procédé de caractérisation mécanique d'un matériau hétérogène selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 à la caractérisation mécanique d'un mortier ou d'un béton. 13. Application du procédé de caractérisation mécanique conformément à la revendication 12, caractérisé en ce que le matériau hétérogène étant constitué de phases de natures diverses, telles que hydrates de ciment, clinker, sable, granulats ou fibres: # on procède aux mesures mécaniques pour plusieurs desdites phases et on caractérise lesdites phases chimiquement, et # on extrait des propriétés mécaniques desdites phases à partir desdites mesures, lesdites propriétés mécaniques comprenant préférentiellement le module d'élasticité (E), la dureté (H), et le fluage.