Caractérisation du mode de durcissement structural des couches implantées à haute énergie par les techniques de nanoindentation et de diffraction des rayons X en incidence rasante

Résumé
En combinant des techniques de caractérisation de surfaces (NRA, GIXRD et nanoindentation), nous avons étudié les effets de l'implantation à haute énergie d'azote (1 MeV, 10¹⁸ at.cm^-2), sur la structure cristalline et les propriétés mécaniques d'un acier inoxydable 316L. La nanoindentation a permis de suivre l'évolution des propriétés mécaniques dureté H et module d'Young E, après implantation en fonction de la température et du temps de recuit. La diffraction des rayons X en incidence rasante (0,5°<α<6°) a mis en évidence la présence de contraintes résiduelles élevées, d'une solution solide γ_N et l'évolution de différents précipités (Fe₂N et Fe₃N), en fonction de la température de recuit, ainsi qu'une transformation martensitique en surface, conduisant à une augmentation significative des propriétés mécaniques. L'utilisation de l'incidence rasante permet de suivre la répartition des différentes phases dans l'épaisseur de la couche implantée, ainsi que leur évolution avec le recuit post implantation. Cette étude constitue une première étape avant une modélisation plus complète, permettant de définir un traitement à la carte, fonction de l'application visée.

Abstract
Nitrogen implantations into stainless steel lead to dramatic improvement of tribological properties, like wear resistance. The effects of such a treatment at low implantation energy on mechanical properties are well documented. The wear improvement is often correlated with the hardening of superficial layers by precipitates and by compressive elastic stress in the substrate matrix, due to the formation of a solid solution. The aim of this study is to correlate GIXRD measurements and nanoindentation tests, performed on 316L surface, implanted with ¹⁵N ions at high energy and dose (E=lMeV, d=10¹⁸ at.cm^-2). We prove that the main mechanism in the surface strengthening is the formation of expanded solid solution γ_N and of iron nitrides Fe²N and Fe³N located around the ion range.