Study of structural modifications induced by ion implantation in austenitic stainless steel
Etude des modifications structurales induites par implantation ionique dans les aciers austénitiques
Résumé
Ion implantation in steels, although largely used to improve the properties of use, involves structural modifications of the surface layer, which remain still prone to controversies. Within this context, various elements (N, Ar, Cr, Mo, Ag, Xe and Pb) were implanted (with energies varying from 28 to 280 keV) in a 316LVM austenitic stainless steel. The implanted layer has a thickness limited to 80 nm and a maximum implanted element concentration lower than 10 %at. The analysis of the implanted layer by grazing incidence X-ray diffraction highlights deformations of austenite lines, appearance of ferrite and amorphisation of the layer.
Ferritic phase which appears at the grain boundaries, whatever the implanted element, is formed above a given “threshold” of energy (produced of fluency by the energy of an ion). The formation of ferrite as well as the amorphisation of the implanted layer depends only on energy.
In order to understand the deformations of austenite diffraction lines, a simulation model of these lines was elaborated. The model correctly describes the observed deformations (broadening, shift, splitting) with the assumption that the expansion of the austenitic lattice is due to the presence of implanted element and is proportional to the element concentration through a coefficient k'. This coefficient only depends on the element and varies linearly with its radius.
Ferritic phase which appears at the grain boundaries, whatever the implanted element, is formed above a given “threshold” of energy (produced of fluency by the energy of an ion). The formation of ferrite as well as the amorphisation of the implanted layer depends only on energy.
In order to understand the deformations of austenite diffraction lines, a simulation model of these lines was elaborated. The model correctly describes the observed deformations (broadening, shift, splitting) with the assumption that the expansion of the austenitic lattice is due to the presence of implanted element and is proportional to the element concentration through a coefficient k'. This coefficient only depends on the element and varies linearly with its radius.
L'implantation ionique dans les aciers, bien que largement utilisée pour l'amélioration des propriétés d'usage, entraîne des modifications structurales des couches superficielles, qui restent sujettes à controverse. Dans ce cadre, différents éléments (N, Ar, Cr, Mo, Ag, Xe et Pb) ont été implantés (à des énergies allant de 28 à 280 keV) dans un acier 316LVM austénitique dans une couche d'épaisseur limitée à 80 nm avec une concentration maximale en élément implanté n'excédant pas 10 %.at. L'analyse de la couche implantée par diffraction des rayons X en incidence rasante permet de mettre en évidence des déformations des raies de l'austénite, l'apparition de ferrite et l'amorphisation de la couche.
La phase ferritique apparaît aux joints de grains, quelle que soit la nature de l'élément implanté, à partir d'une quantité « seuil » d'énergie totale envoyée (produit de la dose par l'énergie d'un ion). La formation de ferrite ainsi que l'amorphisation de la couche implantée ne dépendent que de la quantité totale d'énergie envoyée.
Afin de comprendre les déformations des raies de diffraction de l'austénite, un modèle de simulation de ces raies a été élaboré. Le modèle écrit correctement les déformations (élargissement, décalage, dédoublement) observées à partir de l'hypothèse que l'expansion de la maille austénitique est due à la présence de l'élément implanté et est proportionnelle à la concentration de l'élément au travers d'un coefficient k'. Ce coefficient ne dépend que de l'élément et varie linéairement avec son rayon.
La phase ferritique apparaît aux joints de grains, quelle que soit la nature de l'élément implanté, à partir d'une quantité « seuil » d'énergie totale envoyée (produit de la dose par l'énergie d'un ion). La formation de ferrite ainsi que l'amorphisation de la couche implantée ne dépendent que de la quantité totale d'énergie envoyée.
Afin de comprendre les déformations des raies de diffraction de l'austénite, un modèle de simulation de ces raies a été élaboré. Le modèle écrit correctement les déformations (élargissement, décalage, dédoublement) observées à partir de l'hypothèse que l'expansion de la maille austénitique est due à la présence de l'élément implanté et est proportionnelle à la concentration de l'élément au travers d'un coefficient k'. Ce coefficient ne dépend que de l'élément et varie linéairement avec son rayon.