Etudes de cas : quelques exemples d’applications…
CACEMI – Stage EA01 – Microscopie Électronique à Bala yage et Microanalyse
MEB + EDS (ou WDS)
BiologieAgro-alimentaire…
Utilisation des MEB
Minéralogiegéologie
Matériaux
- Métallurgie- Céramique
Utilisation des MEBà pression contrôlée et
à chambre environnementale
Polymères
- Caractéristiques- Comportement…
Expertise (fractographie)Exemple :
Recherche des causes d’une rupture,
d’un dysfonctionnement…
- Céramique- Composites…
corrosion…
Manipulations « in-situ », observation 3D, SEM-FIB…
Fractographie : recherche du mode de rupture…
Rupture fragile (intergranulaire)
Acier faiblement allié, rupture due à unepollution (corrosion intercristalline)
Rupture ductile
Ni avec dispersion de ThO 2 (TD-Ni)
Rupture par déformation du métal avec rupture au niveau de la
dispersion de ThO2 : formationde cupules
Rupture de fatigue
Rupture par propagationdiscontinue d’unefissure lors d’uneapplication d’une
contrainte répétitive :observation de stries
de fatigue.
Matériaux composites :exemples d’observation
de ruptures
Exemple d’expertise industrielle après rupture : Rupture de fatigue d’un arbre de compresseur en aci er moulé
l’arbre est soumis à des flexions répétées à fréque nce élevée
L’analyse morphologique(optique + MEB) montre un aspect caractéristiqued’une rupture par fatigue
Documents : CETIM (Senlis)
rupture par fatigue stries de fatigue observées en MEB
spectre EDS dans la zoned’amorçage (A)
spectre EDS de l’acier
���� acier inoxydable austénitique
� silico-aluminate de Ca� inclusion de grain de sable (moule)
Un autre matériau : Le papier couché…
Référence : Marika LADRET, ROQUETTE Frères, 62080 L ESTREM,Apport de la microscopie électronique à balayage po ur la formulation dans les domaines de l’alimentation humaine et la papeterie – Réunion SEMPA 2005
1 – Problème de mauvaise impression dû au « poussiéra ge »
MEB FEI Quanta (ESEM) – 10 kVX10.000Échantillons non-métallisé
Cause : dispersion des pigments dueà un manque de liant
papier
Précouche (kaolin + amidon)
« top-couche » (CaCO 3 + TiO2+ latex)« top-couche » (CaCO 3 + TiO2+ latex)
Visualisation de la pénétration de la précouche dan s le papier et observer la répartitionet l’homogénéité de la topcouche sur la précouche
FEI Quanta 600 20 kV40x40 µm
Observation de la répartition des éléments :(logiciel CAMEO)•Hydrate de carbone : rouge•Kaolin (Al – Si) : en vert•Ca + Ti : en bleu
Al+Si(précouche)
Ca+Ti(topcouche)
(précouche)
Référence : Marika LADRET, ROQUETTE Frères, 62080 L ESTREM,Apport de la microscopie électronique à balayage po ur la formulation dans les domaines de l’alimentation humaine et la papeterie – Réunion SEMPA 2005
Applications agro-alimentaires
Dragées de chewing-gum : étude de la couche de fini tion brillante
Comparaison entre le procédéclassique de dragéification(à gauche) et le procédé Lycoat®de la Société Roquette (à droite)de la Société Roquette (à droite)
Ce procédé permet de réduirede moitié le temps de dragéification.On observe avec ce procédél’apparition de gros cristauxdus au sirop de sucre utilisé.
Couche de finition brillante de 2 µm d’épaisseur
Pas de couche de surface :Mauvaise adhérence de l’agent de polissage
Attention aux conditions de préparation :
L’apparition de défauts en surfacedans cette couche dragéifiée estdue à la métallisation et non à undéfaut dans l’échantillon !
En minéralogie Exemple : datation de roches
- Minéraux réfractaires peu sensibles à l’altération thermique et chimique, riches en U et Th, pauvres en Pb- Réseau cristallin (conservation du Pb formé)
Critères de choix
238U ----> 206Pb* (T : 4.47 Ga)235U ----> 207Pb* (T : 0.7 Ga)232Th ---> 208Pb* (T : 14.0 Ga)
Par l’analyse de Pb dans des minéraux, résultant de la désintégration radioactive de différents isotopes
���� Datation absolue
- Réseau cristallin (conservation du Pb formé)
Spectrométrie de masse•Analyse des rapports isotopiques•Domaines analysés d’environ 20 µm de diamètre
Microsonde électronique •Analyse in-situ sur un domaine de l’ordre du µm3•Adapté pour certains minéraux (monazite, xenotime) à teneur en U /Th
élevée et teneur initiale en Pb faible•Permet de s’affranchir des imperfections du minéral (fissures, inclusions)•Permet d’étudier les grains à histoire complexe (zonation)
Méthodes
Exemple d’un cristal de monazite
Minéraux d’intérêt pour la datation
•Monazite (phosphate de terres rares)•Xenotime (YPO4)•Baddeleyite (ZrO2)•Thorianite (ThO2)
Cartographie X du thorium
(Document G. Wille, BRGM)
Exemples d’études de polymères
Microanalyse de polymères chargés pourdes applications mécaniques
(résistance à l’abrasion)
Matrice : polyamideCharge : fibre de verre Lubrifiant : PTFE
SiImage MEB en électrons rétrodiffusés
Charge
Lubrifiant
FLa répartition du lubrifiant est une informationimportante pour l’utilisation de ce matériau.
(Documents Alain jadin – CERTECH)
Lubrifiant
Microanalyse de polymèresmultiphasés
Image MEB en électrons rétrodiffusés
En traitant aux vapeurs d’osmium, celui-ci se fixe préférentiellement sur le PS, amplifiant le contraste en émission rétrodiffusée.L’image X en Os confirme la répartition du PS.
Polyéthylène oxyde -Polystyrène
Os
(Documents Alain jadin – CERTECH)
Objectif : distinguer et identifier les deux polymères conjugués polypyrrole (Ppy)
et poly(3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) :
Caractérisation de nanofils tétra-segmentés Au-PEDO T-Ppy-Au par analyse EDX
(Vincent Callegari – Laboratoire des hauts polymères , Université de Louvain la Neuve)
Image TEM d’un nanofil Au-PEDOT-Ppy-Au (Zoom au niveau de l’interface entre les deux polym ères).
Par simple imagerie TEM, les deux polymères sont di stinguables parce qu’ils ont un diamètre différent
Une analyse dispersive en énergie des rayons X perm et de les identifier grâce à la présence de l’atome soufre dans un seul des deux polymères
Spectres EDX enregistrés aux extrémités des deux se gments polymère. L’image TEM fait apparaître les quatre zones analy sées par la présence de spots foncés dus à la dégradation du polymère par le faisceau d’ électrons .
Conclusion : présence de l’élément soufre sur le seg ment le plus fin :
•Segment dont le diamètre a la valeur la plus faible = PEDOT•Segment dont le diamètre a la valeur la plus import ante = Ppy
Le but est de déposer des nanofils entre deux élect rodes pour essayer de mesurer un signal électrique qui passera de part et d'autre des électrodes via le nanofil. Le but final est d'élabo rer un biosensor.
Caractérisation de nanofils Au-Ni-PPy-Au en TEM-EDS
(Houssein Awada – Laboratoire des hauts polymères, U niversité de Louvain la Neuve)
polymère
La partie polymère (PPy) sert à être fonctionnalisé e. La partie Ni (partie magnétique) sert à aligner et à positionner le fils entre les é lectrodes de manière à ce que le PPy soit entre les deux électrodes (le contrôle de la l ongueur est essentiel). Les deux parties terminales (Au) servent à effectue r un bon contact électrique entre les nanofils et les électrodes. On fait croitre les nanofils dans une membrane de p olycarbonate qui est ensuite dissoute.
Or
1 µm200 nm
Par la simple observation TEM, il est difficile de distinguer l’or du nickel. On observe cependant une différence de contraste que la spectr ométrie EDS permet d’identifier :- sur la partie claire, le spectre indique la présenc e de NI- la partie sombre correspond à l’or.
Les raies du Cu sont dues à la grille de Cu sur laq uelle ont été déposés les nanofils
Analyse de la composition chimique de ségrégations dans un acier forgé
solidification en lingotière ���� ségrégations (« veines sombres »)
acier 16MND5 :
cuve de réacteur nucléaire à eau pressurisée
mises en cause dans l’apparition de fissures « sous revêtement », c’està dire dans les « zones affectées
veines sombresC 0,16%, Mn 1,46% , Ni 0,81%, Mo 0,58%, Si 0,28 %,
à dire dans les « zones affectéesthermiquement » (ZAT) par le revêtement
protecteur en acier inoxydable
Cartographie X en Mo et Mn
Acier de cuve de Tricastin (éprouvette B4 zone 8).
0.7
0.8
0.9
Poids en %
0.5
0.6
Mo
Mo Si
Cr
Analyse quantitative
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57
Points
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Si
Cr
veine sombre
Pour évaluer les effets de ces zones ségrégées sur les propriétés mécaniqueet la fragilisation de revenu, on a réalisé des all iages synthétiques de compositions chimiques représentatives de veines moyennement et fortement ségrégéesanalyses réalisées par microsonde…
Carbone :
acier : 0,16%ségrégation moyenne : 0,26%
ségrégation forte : 0,35%ségrégation forte : 0,35%taux de ségrégation : 62%
Acier de cuve : analyse du vanadium
80
90
100
)
Analyse du vanadium
Acier de cuve de la centrale de Sizewell B (Grande Bretagne)
Teneur nominale de l ’acier (analyse chimique) : 10 ppmMicroanalyse WDS
V Ka - LIF20 kV - 300 nA
(300s/pt)
Sur les instruments récents (SX100) la limite de dé tection a été considérablement améliorée… exemple de l’analyse du vanadium :
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Points d'analyse
tene
ur e
n V
anad
ium
(pp
m)
Veine sombreMatrice : 13 ± 9,6 ppm
Veine sombre :moyenne : 25,4 ± 10,7 ppm
maximum : 40 ppm
significativementdifférent
Corps HPCorps MP
Corps BP
Turbine BP 900 MW
Rotor HP 900 MW
3) Étude d’une fissuration au niveau d’une aube d’u ne turbine HP (Arabelle)
Turbine type Arabelle (1500 MWe)
Corps HPCorps MP
Corps BP
alternateur
Entrée vapeur(55 à 71 bars)
Longueur : 66 mVers le condenseur
Aube(acier inoxydable)
passes de renfort
bandage(acier inoxydable)
passes d’agrafage
1 cm
passes de soudure
calice
Couronne(acier bas carbone)
fissure
origine de la fissure ?
Mosaïque de 20 images
Dimension totale : 2500x3125 pixelssoit : 40 x 50 mm
temps d’acquisition : 20 ms/pixeltemps total (3 images) : 40h
Cartographie X en Cr
Caméca SX100 (WDS)
fissure
Analyses quantitatives
Analyses quantitatives partraversées
Observations MEB de la fissure+
microanalyses
origine de la fissure(mauvaises conditions de soudage)
http://www.gn-meba.org
Association « Loi 1901 » regroupant les utilisateurs francophone de MEB et de Microanalyses
Près de 500 adhérents ( France, Belgique, Suisse )•2 réunions annuelles :- Journées thématiques de printemps (en province)- Journées pédagogiques de décembre (Paris)
GN-MEBA - SFP – 33 rue Croulebarbe – 75013 PARISTél : 33 (0)1 44 08 67 10 Fax : 33 (0)1 44 08 67 19
Enregistré au titre de la formation permanente sous le numéro 11 75 40389 75,
- Journées pédagogiques de décembre (Paris)•Publications d’ouvrages scientifiques•Organisation d’Ecole d’été•Echantillons tests (« Round Robin Test »)…
Cotisation annuelle : 115 € par laboratoire (1 membre cotisant et 2 membres associés)
- Peut être pris au titre de la formation permanente- membre d’office de la SFP Société Française de Phys ique
Octobre 2008928 pages - 119 € TTC
2004 228 pages 76 € TTC
1997150 pages46 € TTC
En préparation (courant 2011) :« Préparation d’échantillons en MEB et
microanalyse » (EDP Sciences)