Les performances des matériaux sont fortement influencées par leurs éléments d'alliage :L'ajout d'éléments au-delà de la composition de base de l'alliage peut fortement influencer les propriétés et les performances de celui-ci. En pratique, il n'est pas seulement important de savoir quels éléments sont ajoutés, mais aussi à quels montants et comment ils s'ordonnent dans le réseau hôte. Pour la composition de base fondamentale de tout acier - fer et carbone - la concentration et l'ordre des atomes de carbone et leur interaction avec le réseau hôte du fer dans les aciers martensitiques ont été analysés par une équipe de scientifiques du Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) et la Ruhr-Universität Bochum (RUB). Les scientifiques ont examiné les mécanismes d'ordre interstitiel collectif dans les aciers Fe-C et déterminé comment l'anharmonicité et la ségrégation affectent le mécanisme d'ordre et, par conséquent, les performances du matériau. Leurs découvertes récentes ont été publiées dans Matériaux naturels .

Où vont les atomes de carbone

"Lorsque les atomes de carbone pénètrent dans le réseau ferreux hôte des aciers martensitiques, ils diffusent entre les atomes de fer et ne prennent pas en charge les positions des atomes de fer dans le réseau hôte. Néanmoins, ils créent des champs de contraintes influençant l'ensemble du réseau. Comprendre le mécanisme de l'ordre interstitiel qui en résulte est une clé pour concevoir des aciers à ultra-haute performance car ils tirent leur force de la formation de martensite, Donc, de l'ordre interstitiel collectif, " explique le Dr Tilmann Hickel. Hickel est à la tête du groupe "Computational Phase Studies" au MPIE et était le superviseur principal du Dr Xie Zhang, le premier auteur de la publication. Chaque atome interstitiel, en raison de sa taille et de son interaction chimique avec les atomes du réseau hôte, crée un champ de contrainte local qui déplace ses atomes hôtes voisins loin de leurs positions de réseau d'origine. "Imaginez insérer un bâton de bois dans le sable à la plage et regarder comment le bâton déplace les grains de sable qui l'entourent. La même chose se produit lorsque nous ajoutons du carbone au réseau hôte de fer. Les interstitiels de carbone, trouver leur chemin à travers le réseau hôte, ordonner dans des endroits énergétiquement favorables et déformer et durcir la structure précédente, " explique Hickel. Une forte concentration d'interstitiels entraîne des phénomènes d'ordre/désordre et des distorsions de réseau, influençant ainsi la performance en vrac des aciers.

L'équipe de recherche a identifié deux composants qui influencent l'ordre interstitiel. Le premier résulte de l'anharmonicité causée par les champs de déformation dans le réseau Fe. "En raison de cette anharmonie, la concentration critique en C pour une transformation ordre-désordre est diminuée. Pour comprendre le déplacement des atomes de Fe à différentes distances, il faut considérer la contribution anharmonique dans la première position voisine d'un interstitiel C, " explique le Dr Jutta Rogal du Centre interdisciplinaire de simulation de matériaux avancés de la Ruhr-Universität Bochum.

Le deuxième composant qui influence l'ordre interstitiel est la ségrégation de C aux défauts étendus. Cette ségrégation a lieu à de faibles concentrations de C et est supprimée à des concentrations élevées de C en raison d'un abaissement du potentiel chimique de C dans la martensite ordonnée. Le potentiel chimique du C dans la martensite Fe-C augmente progressivement avec l'augmentation de la concentration en C jusqu'à atteindre 0,8 % at. Puis il diminue rapidement en raison de la transition ordre-désordre.

Transition ordre-désordre

Les deux composants, le niveau d'anharmonicité et le comportement de ségrégation, sont déterminants pour la transition ordre-désordre. "Un résultat inattendu de l'étude était qu'il ne suffit pas d'analyser uniquement l'arrangement des atomes de carbone en vrac. Au contraire, une forte compétition entre la concentration de carbone dans la masse et sa ségrégation vers des défauts étendus se produit. Ce n'est qu'avec cet aperçu qu'il a été possible d'acquérir une compréhension globale de la transition ordre-désordre. Cette compétition diminue avec une concentration croissante d'interstitiels carbonés, car les défauts étendus ne peuvent incorporer des interstitiels qu'en quantité limitée. La concentration exacte dépend de la densité des défauts. Dans nos calculs et confirmés par des expériences, la martensite désordonnée est déclenchée par une concentration en carbone comprise entre 0,8 at.% et 2,6 at.%. Au-dessus de 2,6 at.% de martensite ordonnée se forme, qui offre une résistance supérieure aux aciers. En dessous de 0,8 at.%, les atomes de carbone se séparent en dislocations dans les joints de grains, " explique le professeur Jörg Neugebauer, directeur du département Computational Materials Design au MPIE. Les calculs théoriques ont été confirmés par des mesures de microscopie électronique à transmission et de tomographie par sonde atomique effectuées à la Ruhr-Universität Bochum.

En général, la concentration critique exacte de C dépend de la microstructure du matériau et de l'énergie de liaison entre C et un défaut étendu spécifique. La plage de concentration critique indiquée de 0,8 % at. et 2,6 % at. n'est pas universelle, mais dépend de l'échantillon et de ses défauts étendus. Cependant, les concentrations critiques peuvent être calculées avec précision si a) l'énergie de liaison exacte entre C et le défaut étendu, et b) la concentration maximale de C pouvant être incluse par le défaut étendu, sont connus. L'équipe MPIE et RUB a montré le rôle décisif que jouent l'anharmonicité et la ségrégation concernant le mécanisme d'ordre interstitiel, en utilisant les alliages Fe-C comme modèle pour d'autres systèmes pertinents. L'inclusion d'effets anharmoniques dans les transitions de phase ordre-désordre offre un nouveau niveau de modélisation prédictive des matériaux, ouvrant la voie à la conception d'aciers à ultra-hautes performances.