E2 Microstructure : granulométrie et porosité

Topique

La porosité et la taille des grains sont les deux paramètres d'état microstructural décrits par ce modèle. Chacun détermine indépendamment le module d'élasticité et la résistance mécanique de la céramique : ces deux propriétés mécaniques caractérisent en détail un autre modèle de cet ensemble. Le fait que ces deux paramètres déterminent ces mêmes propriétés mécaniques, bien qu'ils proviennent d'aspects différents de la microstructure, implique qu'ils doivent être étudiés séparément avant que leurs effets ne soient combinés. Nous allons commencer par étudier la porosité.

Les données de porosité utilisées par ce modèle proviennent d'un autre modèle de cet ensemble, celui qui décrit la porosimétrie et la densité de la céramique. Ce modèle mesurant expérimentalement la porosité totale du matériau, cette dernière peut être décomposée en deux composantes : la porosité ouverte, formée par des pores interconnectés et reliés à la surface externe de la pièce, et la porosité fermée, formée par des pores isolés au sein du matériau. La porosité totale étant la somme de ces deux composantes, toute variation de l'une d'elles se répercute directement sur la porosité totale. Cette même porosité totale a un corollaire : la densité relative de la céramique. Une porosité totale élevée entraîne une densité relative faible, car une plus grande fraction du volume de la pièce est occupée par les pores plutôt que par la matière solide ; une porosité totale faible entraîne une densité relative plus élevée.

Une porosité totale élevée, à son tour, entraîne une diminution du module d'élasticité et de la résistance mécanique de la céramique : les pores interrompent la continuité de la matière solide, réduisent la section efficace supportant la charge et concentrent les contraintes autour d'eux. Par conséquent, plus la porosité totale de la pièce est élevée, moins elle est rigide et résistante. Nous abordons maintenant le second paramètre de ce modèle : la taille des grains.

La taille des grains de cette céramique est mesurée par la même méthode d'interception linéaire que celle déjà employée à cette fin par le modèle métallurgique de taille des grains : on compte le nombre de joints de grains traversés par une ligne de longueur connue tracée sur la microstructure, et la taille moyenne des grains est obtenue à partir de ce comptage. Le fait que ce modèle réutilise la même méthode permet de mesurer la taille des grains de la céramique de façon comparable à celle d'un métal.

Une taille de grain plus petite confère à la céramique un module d'élasticité et une résistance mécanique plus élevés : les joints de grains, plus nombreux lorsque le grain est fin, font obstacle à la propagation d'une fissure dans le matériau ; une taille de grain plus importante réduit le nombre d'obstacles et, par conséquent, diminue le module d'élasticité et la résistance mécanique.

C'est pourquoi ce modèle, avec la porosité et la taille de grain initiales, intègre ces deux paramètres microstructuraux dans un autre modèle de cet ensemble, celui qui décrit en détail le module d'élasticité et la résistance mécanique de la céramique : ce que la porosité totale et la taille des grains déterminent ici, prises individuellement, est précisément ce que l'autre modèle déduit de ces deux paramètres.

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