Les chercheurs A*STAR ont montré, grâce à une simulation de supercalculateur, qu'une résistance élevée et une mémoire de forme peuvent être réalisées en même temps en combinant des grains de cristal de différentes tailles, un exploit que l'on croyait impossible auparavant. Cette découverte démontre le potentiel des simulations avancées pour adapter les matériaux afin d'obtenir des propriétés physiques auparavant inaccessibles.

Les alliages à mémoire de forme (SMA) sont des matériaux qui peuvent reprendre leur forme d'origine en chauffant après avoir été déformés à basse température, une propriété utilisée dans des applications telles que les commutateurs nanométriques et les dispositifs médicaux tels que les stents et les appareils orthodontiques.

Cependant, les alliages à mémoire de forme perdent leur fonctionnalité lorsque la taille des grains cristallins constitutifs passe en dessous d'une certaine limite, typiquement quelques dizaines de nanomètres.

"Quelques théories ont été proposées pour expliquer pourquoi cela se produit, " déclare Jerry Quek de l'Institute of High Performance Computing d'A*STAR. " Nous pensons qu'il est plus difficile pour la transformation de la mémoire d'avoir lieu aux joints de grains qu'à l'intérieur des grains eux-mêmes. Cela crée une surface supplémentaire entre la phase mémoire transformée au sein du grain et la phase non transformée au joint de grain, ce qui conduit finalement à la suppression totale de la transformation à de très petites tailles de grains."

Ceci est important car les SMA, comme la plupart des métaux polycristallins, devenir fort à de très petites tailles de grains, où l'effet mémoire est perdu. Alors qu'obtenir force et mémoire en même temps dans le même matériau semblait impossible, mais s'il était atteint, cela pourrait considérablement élargir l'application potentielle et les fonctionnalités utiles des SMA.

« Nous avons été motivés par des études antérieures qui ont montré que la combinaison de deux tailles de grains différentes pouvait entraîner une fusion de propriétés utiles telles que la résistance et la ductilité, " dit Quek. " Cependant, le rôle de ces types de microstructures dans les SMA était inconnu. Une approche de simulation est très efficace pour étudier de tels processus d'optimisation, car un grand nombre de simulations pour différentes variations de la microstructure des grains peuvent être étudiées systématiquement."

De telles simulations ne sont pas triviales, cependant, et ont un coût de calcul très élevé. L'équipe de Quek a largement utilisé le National Supercomputing Centre de Singapour, exécuter un code qui simule laborieusement le changement d'énergie lié à la structure atomique à l'intérieur et autour de jusqu'à 3, 000 grains de cristal. L'équipe a ensuite dû exécuter des centaines de ces simulations avec différentes configurations de tailles de cristaux pour confirmer les statistiques.

« Nous nous sommes principalement intéressés à la transformation de phase réversible austénite-martensite, " explique Quek. " Les phases austénitique et martensitique ont des arrangements atomiques différents, et la mémoire de forme est possible si le matériau peut être commuté de manière réversible entre les deux phases, comme en changeant la température."

Pour étudier ce comportement de phase, l'équipe a simulé et observé le développement de la phase martensitique par trempe d'un alliage initial fer-palladium à l'état d'austénite. En étudiant une large gamme de combinaisons granulométriques, les chercheurs ont pu montrer que la formation de la phase martensitique, et donc l'apparition de la mémoire de forme, peut être contrôlé en modifiant la distribution granulométrique de la microstructure.

"Nous avons découvert que l'introduction d'une population de grains plus gros au milieu de grains de taille nanométrique réintroduit l'effet de mémoire de forme tout en conservant la haute résistance de la structure nanométrique, qui pourraient avoir des applications dans des situations où à la fois la résistance et l'effet de mémoire de forme sont importants, " dit Quek. " Nous avons également montré que pour une certaine combinaison de tailles de grains, on peut obtenir une microstructure dans laquelle une région subit une transformation de phase en martensite tandis que d'autres régions restent austénitiques, qui offre la possibilité de concevoir des matériaux avec un degré variable de fonctionnalité de mémoire de forme à travers un matériau."