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Le microscope électronique à balayage (MEB), le retour d'expérience et la connaissance des mécanismes d'endommagement des pièces sont nécessaires pour interpréter correctement les faciès de rupture.

Le microscope électronique à balayage (MEB) est, par excellence, un instrument d’investigation et d’expertise permettant tout particulièrement l’examen de la topographie des surfaces. Le MEB est basé sur le principe des interactions électrons-matière, capable de produire des images à très fort grossissement de la surface d’un échantillon.

Les apports du MEB

Les avantages de la microscopie électronique à balayage sont multiples. Tout d’abord, la grande profondeur de champ observable qui va de quelques centimètres à faible grandissement (X 10) à de quelques micromètres au grandissement maximum (X 100 000). Ensuite la très bonne résolution, de l’ordre du micromètre, et enfin une préparation simple des échantillons permettant une observation directe des surfaces.

Observer à très fort grossissement au microscope électronique à balayage une zone de pièce amène de très nombreux indices qu’une observation au microscope optique ne permet pas d’appréhender. Si l’utilisation du microscope électronique à balayage est plus complexe, cet instrument s’avère être indispensable pour certains types d’expertise.

Le MEB, est un outil complémentaire à l’observation au microscope optique

Observation des faciès de rupture au microscope électronique à balayage (grossissement x10 000 avec très grande profondeur de champ et micro-dosage des éléments).

Pour l’expertise de défaillances ou d’avaries sur pièces, le MEB fournit des informations qui permettent de caractériser les faciès de rupture. Ces informations portent essentiellement sur l’aspect et le mode de la rupture, ainsi que sur le mécanisme en cause.

Par ailleurs, le MEB, associé à un spectromètre de rayons X type EDS (Energy Dispersive Spectrometer) permet de réaliser rapidement des microanalyses de petits « objets » pouvant se trouver sur les surfaces de cassure, comme des inclusions, des particules exogènes, des dépôts, des produits de corrosion, … Il est ainsi possible d’effectuer une analyse élémentaire qualitative et quantitative de ces objets avec une résolution spatiale de l’ordre du micromètre cube.

Principe du MEB

Le MEB est formé d’un canon à électrons, d’une colonne électronique, d’une platine porte-objet et d’un ensemble de détecteurs (d’électrons secondaires, d’électrons rétrodiffusés, de courant d’échantillon,…). Le canon et la colonne sont maintenus sous vide. La chambre objet est sous vide ou sous pression contrôlée. La colonne électronique est formée d’un ensemble de lentilles électromagnétiques ayant pour but de réduire le diamètre du faisceau d’électrons obtenu par le canon.

Le faisceau d’électrons balaie la surface de l’échantillon qui, en réponse, réémet divers signaux. Les électrons secondaires et les électrons rétrodiffusés sont utilisés pour l’imagerie et les photons X pour l’analyse de la matière.

Préparation des échantillons

L’utilisation d’un MEB en mode conventionnel (pression de l’ordre de 10^-3 Pa) impose deux contraintes majeures aux échantillons à étudier : qu’ils soient conducteurs électriquement et qu’ils supportent la mise sous vide.

Le grand avantage des échantillons métalliques est qu’ils répondent très généralement à ces deux contraintes. Il faut donc que la surface des échantillons à étudier soit conductrice, dans le cas contraire (présence d’oxydes, de revêtements de surface, …), il faudra les métalliser au préalable. De ce fait, les surfaces de cassure oxydées nécessiteront le plus souvent un décapage en bains acides.

Par contre, l’utilisation d’un MEB en mode à pression contrôlée (gamme de pression de 15 à 300 Pa) permet l’observation et l’analyse qualitative d’échantillons peu, voire pas conducteurs, dans des conditions tout à fait acceptables ; même si ce mode n’est pas sans inconvénients (précision des analyses plus faible liée à la moindre cohérence du faisceau d’électrons). Pour un examen au MEB, les dimensions et la masse des échantillons sont limitées (environ 100 x 100 mm au maximum et 1 kg).

Ce que permet d’observer le MEB ?

Dans le cadre de la caractérisation des faciès de rupture de pièces en service ou de pièces encore à l’étape de fabrication (forge, fonderie, fabrication additive, …), le MEB permet d’examiner l’aspect des surfaces de cassure et de déterminer le type de la rupture. Les ruptures peuvent ainsi être soudaines et brutales, elles sont alors dites fragiles ou semi-fragiles ou bien lentes et progressives, elles sont alors dites de fatigue. Dans ce dernier cas, on peut observer des stries de fatigue.

L’observation de la progression des stries de fatigue permet de remonter à la localisation précise de l’initiation de rupture et des imperfections à la cause de la rupture. Ces stries sont approximativement perpendiculaires à la direction locale de la propagation de la fissure ; elles représentent donc des positions successives du front de propagation.

Dans certains cas, la propagation des fissures est tout d’abord lente pour s’accélérer ensuite et finir en mode brutale lorsque la section saine de la zone devient trop faible devant les efforts mécaniques supportés. Dans d’autres cas, on assiste à une rupture soudaine sans phase de propagation de fissures.

Les observations au MEB sont souvent couplées avec d’autres types d’analyse (macrographie de la surface de la pièce, analyse de la composition chimique, radiographie du corps de la pièce, …, micrographie sur coupe, mesure de la dureté) pour avoir une vision globale du problème. Mais c’est souvent l’observation des faciès de rupture au MEB qui permet de conclure.