Les alliages à mémoire de forme sont bien connus pour leurs propriétés remarquables :superélasticité, la mémoire de forme et l'actionnement leur permettent d'être froissés puis de revenir à une forme d'origine "souvenir".

Mais le matériau avancé reste considérablement sous-utilisé dans les applications commerciales, des utilisations qui pourraient inclure la transformation de la forme des structures d'avion pour rendre le vol plus efficace ou le déploiement de paraboles de communication et de panneaux solaires dans l'espace.

Des chercheurs de la Colorado School of Mines s'efforcent de mieux comprendre comment leurs microstructures internes complexes changent au cours des comportements de mémoire de forme et les résultats de leurs expériences inédites ont récemment été publiés par trois grandes revues de science des matériaux et de mécanique, Acta Crystallographica , Journal de la mécanique et de la physique des solides et Scripta Materialia .

"Découvert il y a plus de 70 ans, la promesse des alliages à mémoire de forme (SMA) a conduit à plus de 10, 000 brevets aux États-Unis et 20, 000 dans le monde. Cependant, cette promesse n'a pas été égalée par son impact technologique - seul un nombre limité de ces 20, 000 brevets SMA ont été réalisés en tant que produits commercialement viables, " a déclaré Ashley Bucsek Ph.D. '18, auteur principal des trois articles et maintenant chercheur postdoctoral du président à l'Université du Minnesota. "L'histoire est similaire pour de nombreux autres matériaux avancés, des décennies pour passer du développement à la mise en œuvre. L'une des raisons de cet écart entre le développement et la mise en œuvre est que les chercheurs ne font littéralement qu'effleurer la surface avec les techniques de microscopie conventionnelles, lorsque la plupart des micromécanismes des SMA sont en 3-D, hors plan et sensible aux contraintes internes."

Pour combler ce fossé, Bucsek et ses collègues chercheurs ont placé le nickel-titane - le SMA le plus largement utilisé et disponible - sous certains des microscopes 3D les plus puissants disponibles aujourd'hui, situé à la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) à l'Université Cornell dans le nord de l'État de New York.

Spécifiquement, elle a utilisé la microscopie à diffraction à haute énergie en champ proche et en champ lointain (HEDM), qui relèvent des techniques de diffraction des rayons X en 3D, lui permettant de visualiser la microstructure intérieure du matériau en trois dimensions pendant qu'il réagit en temps réel.

"Même si HEDM a été développé à CHESS et d'autres synchrotrons dans le monde depuis plus d'une décennie maintenant, les procédures d'application de HEDM à l'étude de matériaux avancés avec des caractéristiques telles que des mélanges de phases à faible symétrie et de grandes disparités de taille de cristal étaient pratiquement inexistantes, " a déclaré Bucsek. " En conséquence, chacune de ces trois expériences a nécessité le développement de nouvelles expériences, techniques d'analyse et de visualisation des données pour extraire les informations souhaitées. Beaucoup de résultats ont été surprenants, mettant en lumière des domaines de discorde vieux de plusieurs décennies dans le domaine de la micromécanique SMA."

Dans les SMA, c'est souvent la phase à haute symétrie appelée "austénite" qui est stable à plus haute température, mais si une contrainte suffisante est appliquée ou si la température diminue, il se transformera en une phase à faible symétrie appelée "martensite".

Le premier papier, « Mesure des microstructures martensitiques induites par des contraintes à l'aide de la microscopie à diffraction à haute énergie en champ lointain, " publié en septembre dans Acta Crystallographica Section A :Fondements et avancées , a cherché à prédire la variété spécifique de martensite qui se formerait.

« En utilisant cette approche, nous avons constaté que les microstructures de martensite au sein des SMA violaient fortement les prédictions du critère de travail de transformation maximal, montrant que l'application du critère de travail de transformation maximal largement accepté doit être modifiée pour les cas où les SMA peuvent présenter des caractéristiques et des défauts de microstructure de qualité technique, " a déclaré Bucsek.

La deuxième expérience a abordé le réarrangement double induit par la charge, ou réorientation martensitique, un mécanisme de déformation réversible par lequel les matériaux peuvent supporter des charges et des déformations importantes sans dommage grâce à des réarrangements de jumeaux cristallographiques.

Le papier, "Mécanismes de réorientation des jumeaux ferroélastiques dans les alliages à mémoire de forme élucidés par microscopie à rayons X 3-D, " devrait être publié en mars dans Journal de la mécanique et de la physique des solides .

"Une séquence spécifique de micromécanismes de réarrangement jumeaux se produit à l'intérieur des bandes de déformation macroscopique lorsqu'elles se propagent à travers la microstructure, et nous avons montré que la localisation de la déformation à l'intérieur de ces bandes provoque une courbure du réseau jusqu'à 15 degrés, qui a des implications importantes sur la déformation élastique, contrainte de cisaillement résolue, et maximiser le réarrangement des jumeaux, " Bucsek a déclaré :" Ces découvertes guideront les futurs chercheurs dans l'utilisation du réarrangement jumeau dans de nouvelles technologies multiferroïques. "

L'actionnement à semi-conducteurs est l'une des applications les plus importantes des SMA, utilisé dans un certain nombre de systèmes nanoélectromécaniques et microélectromécaniques, biomédical, systèmes d'amortissement actif et d'actionnement aérospatial.

L'objectif de l'expérience finale était un phénomène dans lequel des joints de grains spéciaux à angle élevé émergent à l'intérieur des grains d'austénite lorsque les SMA sont actionnés. Lors de l'actionnement, la transformation de phase d'austénite en martensite puis de retour en austénite est induite par chauffage, refroidir puis réchauffer le SMA sous une charge constante.

Le papier, "Caractérisation in situ 3-D de l'affinage des grains d'austénite induit par transformation de phase dans le nickel-titane, " paraîtra en mars dans Scripta Materialia .

"En utilisant la microscopie électronique, il a été observé que l'austénite peut présenter de grandes rotations lorsque l'échantillon est réchauffé, ce qui nuit à la fois au rendement du travail et à la fatigue. Cependant, en raison de la petite taille des échantillons requis pour la microscopie électronique, ces rotations ont été observées de manière très irrégulière, apparaissant mais n'apparaissant pas dans les mêmes conditions de chargement, ou apparaissant après quelques cycles mais n'apparaissant pas après quelques milliers de cycles, " a déclaré Bucsek. "Nos résultats ont montré que ces rotations de grains peuvent se produire après un seul cycle dans des conditions modérées. Mais en raison du faible volume et de la dispersion hétérogène des rotations, un volume en vrac est nécessaire pour les observer.

Le financement des recherches de Bucsek provient de la bourse de recherche d'études supérieures de la National Science Foundation (NSF), ainsi que le prix NSF CAREER 2015 de son doctorat. conseiller et co-auteur, Aaron Stebner, Rowlinson Professeur agrégé de génie mécanique aux Mines. Un financement supplémentaire pour utiliser les ordinateurs haute performance nécessaires à l'analyse des données est venu du programme NSF XSEDE.

"Le travail de thèse du Dr Bucsek documenté dans ces articles montre l'importance d'utiliser des techniques 3D pour étudier la structure 3D des matériaux. Elle a pu observer et comprendre des mécanismes qui ont été postulés et débattus depuis plus de 50 ans pour la première temps, " Stebner a déclaré. "Le plus grand obstacle à l'adoption de nouveaux matériaux, comme la plupart des technologies, est la peur de l'inconnu. Une telle compréhension conduira sans aucun doute à une acceptation et à une application plus larges de ces matériaux miraculeux, car cela améliore notre confiance dans le développement de moyens pour les certifier et les qualifier. »

Le fonctionnement de la source synchrotron à haute énergie Cornell, qui a été utilisé pour effectuer les mesures de microscopie à rayons X, a également été fourni par la NSF.

« Tout au long de son travail de thèse, Le Dr Bucsek a développé de nouvelles, des moyens créatifs d'appliquer les méthodes HEDM à l'étude des systèmes d'alliages à mémoire de forme, " dit Darren Pagan, scientifique du CHESS. "Sa capacité à surmonter les défis associés au traitement et à l'interprétation des données a permis d'acquérir de nouvelles connaissances sur la micromécanique de la déformation des alliages à mémoire de forme."