La surface d'un matériau est le siège de nombreuses interactions avec l'environnement. Les propriétés physico-chimiques des surfaces et des interfaces jouent donc un rôle déterminant vis-à-vis de leur comportement.

Une surface possède une épaisseur

La notion de surface et surtout les différentes mesures réalisées sur cette surface (qu'elles soient physiques, telles que topographie, dureté, ... ou chimiques) sont toujours liées à l'épaisseur dans laquelle va s'effectuer la détermination. Avant toute mesure, il est donc impératif de savoir quelle profondeur est concernée.

 

À quoi ressemble une surface ?

  • D'un point de vue topographique

Trois niveaux d'échelle sont possibles qui n'offrent pas les mêmes informations :

      • A l'échelle macrographique (millimétrique), la surface est la limite entre le solide et son environnement. C'est la « peau » du produit fini, en général imparfaite. Même si elle paraît lisse au toucher et à la vue, la surface d'une pièce comporte de nombreux défauts de forme : ovalisation ou manque de rondeur, manque de rectitude, ondulation, ...
      • A l'échelle microscopique, la surface présente de nombreuses irrégularités et des altérations mécaniques (sillons, aspérités, stries, joints de grains, porosités) qui se superposent aux défauts de forme. C'est à cette échelle que l'on définit la géométrie du profil de rugosité.
      • A l'échelle nanométrique (ou atomique), la surface peut être schématisée par un empilement irrégulier d'atomes. La surface est alors une discontinuité dans l'arrangement des atomes du solide, ce qui confère aux atomes de surface une énergie intrinsèque supérieure à celle du volume. Ce sont ces atomes qui ont une réactivité plus ou moins grande avec le milieu environnant.
Image 3D au vidéomicroscope : surépaisseur après découpe par électroérosion sur un pièce en CuC2

  • D'un point de vue physico-chimique (sur une surface métallique)

Une surface, « industrielle » ou non, est de nature complexe et peut être considérée comme la superposition de plusieurs strates (couches) résultant des différentes interactions entre le métal et son environnement.

Dans le cas d'un métal et d'une manière générale, en partant du volume vers l'extrême surface, on distingue :

        • Une zone perturbée par divers phénomènes physiques (écrouissage, usure, ...) et/ou chimiques (oxydation interne, décarburation, ...)
        • Une zone transformée, constituée par un mélange d'oxydes divers (calamine, couche de passivation, ...)
        • Une zone contaminée caractérisée par la présence de couches physisorbées et chimisorbées de molécules organiques ou d'autres composés issus de l'atmosphère ambiante

L'épaisseur de ces différentes couches est difficile à préciser car elle dépend à la fois de la nature du métal et également des différentes modifications subies. A titre d'exemple, la profondeur de la zone perturbée peut atteindre quelques centaines de micromètre, alors que la zone contaminée peut présenter une épaisseur de quelques nanomètres. Il apparaît alors clairement la notion d'épaisseur de surface et donc celle de « volume ».

 

Alors comment caractériser une surface, un état de surface ?

La surface constitue en partie la mémoire du matériau. En effet, lors de l'élaboration et/ou de la mise en œuvre d'un matériau (métallique ou non) ce dernier va subir diverses transformations (mécaniques, thermiques et chimiques) au cours desquelles sa surface va acquérir ses caractéristiques physico-chimiques.

Par ailleurs, cette surface (ou cet état de surface) a un lien direct avec les propriétés d'usage demandées et peut donc être à l'origine de nombreuses défaillances si l'on n'y prête pas une attention particulière. Par exemple, certaines fonctions telles que l'aspect, la tenue au frottement, au glissement, au roulement, l'étanchéité, l'adhésion (assemblage par collage), l'adhérence (application de revêtement), la tenue à la corrosion, ... nécessitent de satisfaire à la fois des caractéristiques géométriques, mais également physico-chimiques.

 

Nos compétences en caractérisation de surface

Pour répondre à vos préoccupations relatives à la caractérisation des surfaces et de leurs propriétés, le Cetim-Cermat possède les compétences et moyens techniques suivants :

        • Caractérisation morphologique de l'état de surface (arrachements, marques d'outil, qualité d'usinage, défauts de mise en forme, piqûres, aspérités, matage, ...)
        • Profils de rugosité Ra, Rt, Rz, ...
        • Topographie 3D
        • Identification de polluants de surface
        • Essais de propreté de surface
        • Mesures de l'énergie de surface
        • Mode d'endommagement de surface (abrasion, adhésion, érosion, cavitation, corrosion, ...)
        • ...

Stries grossières d'usinage ayant favorisé le développement de piqûres de corrosion  Joints de grains marqués suite à un surdécapage sur acier inoxydable 

CETIM-CERMAT
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