Micro-usinage, préparation et cisaillement in-situ d’un monocristal sous MEB-FIB.

Thomas TANCOGNE-DEJEAN^1,2, Eva HERIPRE^2,3, Dirk MOHR^1,2,4

1. Impact and Crashworthiness Laboratory, MIT, Cambridge, USA
2. MSSMat, Ecole Centrale de Paris, Chatenay-Malabry, France
3. LMS, Ecole Polytechnique, Palaiseau, France
4. MAVT, ETH Zurich, Suisse

Le but de cette étude est de caractériser le comportement à la rupture d’un monocristal à l’échelle micrométrique sur une feuille métallique mince (25μm d’épaisseur). Le comportement d’un monocristal en cisaillement est étudié à l’aide d’une éprouvette nommée « Smiley shear specimen » [1]. Cette éprouvette permet de générer un état de contrainte local de cisaillement dans le plan de l’échantillon par l’application d’une traction uni-axiale globale. Pour obtenir une rupture en cisaillement pur (au centre de la zone utile), la géométrie de l’échantillon doit être optimisée et la découpe doit respecter cette géométrie tout en introduisant le minimum de contraintes résiduelles possibles. La découpe au faisceau ionique est ainsi considérée du fait de la taille de la zone utile (≈80 μm x100 μm).

Pour réaliser cet échantillon, une feuille d’acier bas carbone (25 microns d’épaisseur) présentant un seul cristal dans l’épaisseur est utilisée. Cette feuille est prédécoupée au laser à la forme de l’éprouvette (≈10mm x 0.8mm). Chaque éprouvette est ensuite caractérisée par EBSD pour trouver celles présentant un seul cristal dans la zone utile. L’échantillon choisi est ensuite introduit dans un MEB-FIB directement sur la machine de traction. Dans un premier temps, la zone utile est re-usinée au faisceau ionique pour retirer la zone thermiquement affectée par la découpe laser et obtenir la précision de découpe nécessaire. Ensuite, une micro-grille de platine est déposée sur la zone utile à l’aide du faisceau ionique pour permettre une mesure des déformations locales par corrélation d’images numériques. Finalement, l’essai mécanique est effectué et des images numériques sont prises à différentes étapes du chargement.

Cet exposé présentera les différentes techniques mises en oeuvre pour préparer cette expérience, en mettant en avant la possibilité de laisser l’échantillon à l’intérieur du MEB-FIB pendant toute la durée de l'usinage final et de l’essai mécanique. Les difficultés de mise en oeuvre d'un tel essai seront également mises en avant.

Références : [1] Roth, C.C., Mohr, D., 2015. Ductile fracture experiments with locally proportional loading histories. Int. J. Plast.; doi:10.1016/j.ijplas.2015.08.004