Depuis l'aube de la chimie et de la physique des Lumières, les scientifiques ont essayé de documenter les propriétés des matériaux dans différentes conditions. Ces recherches ont engendré le domaine de la science des matériaux et ont aidé l'humanité à créer des avions et des engins spatiaux, révolutionner la santé, et construire des processus industriels pour créer des produits allant des adhésifs et des cosmétiques au carburéacteur et aux engrais.

Cependant, alors que les chercheurs tentent de créer des matériaux de plus en plus complexes pour répondre à des besoins industriels de plus en plus complexes, tels que l'amélioration de la résilience des matériaux pour les processus à haute température, ou des processus de compression qui affectent les matériaux pour le vol - la capacité de découvrir et de comprendre les propriétés des matériaux expérimentalement est devenue coûteuse en termes de ressources, énergie, argent et temps.

Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Britta Nestler de l'Institut de technologie de Karlsruhe et de l'Université des sciences appliquées de Karlsruhe travaille à la pointe de la conception de matériaux avancés, en utilisant le calcul pour modéliser de nouvelles propriétés de matériaux. Le groupe se concentre principalement sur les matériaux pour lesquels les expériences sont incapables de caractériser et de contrôler adéquatement l'origine de leurs propriétés, ou lorsqu'une telle expérimentation prendrait beaucoup de temps pour être effectuée de manière efficace et systématique.

Nestlé, qui a récemment reçu le prix Gottfried Wilhelm Leibniz 2017 de la Fondation allemande pour la recherche, et son équipe, avec l'aide du supercalculateur Cray XC40 Hazel Hen du High Performance Computing Center de Stuttgart (HLRS), ont atteint de nouveaux sommets dans leurs efforts de modélisation et de simulation multiphysique et multiéchelle.

Le groupe de Karlsruhe développe le logiciel de simulation parallèle Pace3D ((Parallel Algorithms of Crystal Evolution in 3D) et est un utilisateur de longue date des ressources HLRS, enquêtant auparavant sur les formations de modèles de matériaux telles que la solidification directionnelle multiphasique. L'un des principaux objectifs de l'équipe est l'analyse informatique de l'influence des différentes conditions de fusion sur les propriétés des matériaux et les quantités de microstructure.

Dans un article récent publié dans Acta Materialia , les chercheurs détaillent des simulations entièrement 3D d'un alliage aluminium-argent-cuivre (Al-Ag-Cu) pendant qu'il se solidifie et comparent les caractéristiques de la microstructure avec des photographies expérimentales. Pour la première fois, les chercheurs ont utilisé une combinaison de théorie et d'expérience pour induire des changements de vitesse sur mesure afin de concevoir la microstructure et, à son tour, propriétés matérielles. L'équipe a choisi Al-Ag-Cu en raison de la richesse des données expérimentales avec lesquelles comparer leurs résultats de simulation. La méthode ouvre la voie à de plus grandes simulations de matériaux plus complexes.

« Avec les connaissances que nous avons acquises grâce à nos récents calculs, nous avons un cadre pour aller à des systèmes techniquement pertinents qui ont souvent des difficultés expérimentales, " a déclaré le chef du groupe Johannes Hötzer. "Nous avons décidé d'étudier le modèle de microstructure Al-Cu-Ag pour montrer la validité du modèle et les possibilités de le comparer avec un large éventail de données expérimentales."

Changements de vitesse de solidification

Les scientifiques des matériaux cherchent souvent à comprendre les limites des matériaux :la température la plus élevée à laquelle un mélange peut fonctionner, la plus haute pression qu'il peut supporter, entre autres. Un sujet d'intérêt est la compréhension des propriétés des matériaux eutectiques constitués de deux (eutectiques binaires) ou de trois (eutectiques ternaires) phases solides distinctes dans un arrangement de microstructure qui entraîne la température de fusion la plus basse. L'équipe Nestler s'est récemment concentrée sur les eutectiques ternaires avec trois composants d'alliage.

En utilisant Hazel Hen, l'équipe simule la manière dont certaines conditions de processus, telles que la vitesse de solidification ou la température de traitement, affectent la microstructure d'un matériau eutectique. Pour déduire des corrélations, l'équipe a besoin de calculs 3D à grande échelle pour simuler un échantillon représentatif de motifs microstructuraux. Avant ses récentes simulations, par exemple, l'équipe a émis l'hypothèse que lorsqu'un Al-Ag-Cu passe de liquide à solide, la vitesse de la transition de solidification joue un rôle important dans la façon dont le motif d'une microstructure se divise et fusionne, et comment la longueur et la largeur des fibres qui se forment par la suite influencent la résistance du matériau à des températures plus élevées.

Cependant, les chercheurs ne disposaient que de données expérimentales 2D, les empêchant de prouver ou de réfuter sans équivoque leur hypothèse. Les expérimentateurs et les informaticiens avaient besoin de voir ce processus se dérouler en 3D, et ils pourraient le faire avec l'aide d'un superordinateur.

L'équipe a créé le progiciel multiphysique Pace3D pour incorporer une grande variété de modèles de matériaux et a mis en œuvre une version hautement optimisée en collaboration avec l'Université Fredrich Alexander d'Erlangen-Nuremberg, en utilisant le cadre de calcul de l'université waLBerla (largement applicable Lattice Boltzmann d'Erlangen).

Ce code décompose les simulations 3D massives en environ 10, 000 cubes informatisés, puis résout une variété d'équations physiques dans chaque cellule pour des millions de pas de temps - chaque pas est compris entre 0,1 et 1,0 microseconde. Pour observer les variations de vitesse, l'équipe a effectué des séries de simulations avec des variations de vitesse de solidification. Chaque simulation nécessite environ une journée sur environ 10, 000 des cœurs de processeur de Hazel Hen.

Les expérimentateurs ont été surpris du résultat. Sur la base de leurs expériences 2D, ils ont supposé que les microstructures eutectiques se développaient rapidement en ligne droite, manière largement uniforme. Cependant, la simulation a révélé de nombreux processus de réarrangement au cours de la solidification, et a illustré que les modèles de microstructure changent plus lentement mais sur des échelles de longueur plus longues que prévu. Ces résultats ont ensuite été confirmés par la tomographie synchrotron, une technique d'imagerie qui permet aux chercheurs d'étudier les propriétés des matériaux à un niveau fondamental.

Microstructures sur mesure

Les résultats de simulation précis de l'équipe représentent une preuve de concept pour sa capacité à simuler la formation de microstructures dans des environnements plus complexes, et plus pertinent sur le plan industriel, matériaux dans une grande variété de conditions matérielles et physiques.

Alors que les expériences deviennent de plus en plus compliquées - les experts de Karlsruhe en modélisation informatique des matériaux ont collaboré intensivement avec des expérimentateurs effectuant des recherches sur la conception de matériaux en apesanteur sur la Station spatiale internationale - les calculs continueront de jouer un rôle plus important. Nestler a indiqué que des expériences telles que celles sur l'ISS étaient extrêmement importantes, mais aussi coûteux et long à préparer; les méthodes de calcul intensif aident les chercheurs à faire de grands progrès vers la cartographie de matériaux sur mesure avec des propriétés spécifiques pour des applications particulières tout en réduisant les coûts.

L'informatique permet également aux chercheurs d'exécuter de nombreuses permutations des mêmes simulations avec des différences très subtiles, des différences qui nécessiteraient autrement des dizaines d'expériences individuelles. « Dans nos simulations, nous pouvons faire varier les conditions physiques et de traitement, comme la vitesse de solidification, qui ont une influence sur la microstructure. En contrôlant ces paramètres, nous finissons par obtenir un bien conçu, microstructure sur mesure, " dit Nestler.

En comprenant comment modifier subtilement les profils de vitesse et de température lors de la production de matériaux complexes, Nestler souligne que les calculs parallèles à grande échelle aident les scientifiques des matériaux à concevoir un matériau extrêmement bien adapté à une tâche spécifique. Ces matériaux peuvent être utilisés pour les technologies de l'air et de l'aérospatiale, ainsi que dans les processus industriels où les matériaux sont exposés à des températures ou des pressions extrêmement élevées.

Par exemple, effectuer des simulations d'un nickel, alliage d'aluminium et de chrome-34, l'équipe a pu montrer comment l'alignement de la microstructure s'améliore en établissant des conditions de processus contrôlées, résultant en une résistance au fluage plus élevée, ce qui signifie que le matériau ne se déformera pas lorsqu'il est exposé à des contraintes mécaniques ou thermiques.

"Notre objectif principal est de concevoir des microstructures particulières pour des alliages multi-composants, pour les systèmes cellulaires ou particulaires qui sont basés sur son application, " Nestler a déclaré. " L'application définit à quoi les nouveaux matériaux devraient ressembler ou devraient être capables de supporter, et nous pouvons maintenant concevoir, de manière contrôlée, la microstructure particulière qui est nécessaire.

Ces simulations ont été réalisées à l'aide des ressources du Gauss Center for Supercomputing basé au High-Performance Computing Center de Stuttgart.