Les scientifiques des matériaux Arun Devaraj et Bharat Gwalani (au premier plan) utilisent un tribomètre à broche sur disque pour conférer une déformation de cisaillement aux matériaux. Crédit :Arun Devaraj | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
Trouver du nouveau, Des moyens peu coûteux de fabriquer de meilleurs alliages métalliques et composites est l'un des Saint Graal du monde de la recherche sur les matériaux. Les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du département de l'Énergie des États-Unis obtiennent beaucoup de succès en utilisant des approches de traitement en phase solide pour créer des matériaux aux propriétés améliorées. Pour comprendre ce qui se passe et pourquoi, ils scrutent jusqu'au niveau atomique des microstructures des matériaux. Une étude récente a été publiée ce mois-ci dans Communications Materials.
À travers l'histoire, de l'âge du bronze, à l'âge du fer, aux temps modernes, l'art du possible dans la production de métaux s'est largement limité à des procédés dans lesquels le métal est d'abord fondu puis soumis à un certain nombre d'étapes énergivores pour produire des alliages et, finalement, produits utiles. Les approches de traitement à base de fonte ont été très fructueuses, mais ils sont limités dans les types d'alliages métalliques et de composites qui peuvent être fabriqués et les propriétés qui peuvent être obtenues.
Dans le traitement en phase solide, les métaux ne sont pas fondus mais sont soumis à une force de cisaillement mécanique. Celui-ci mélange les métaux pour créer des alliages ou des composites, modifier localement les propriétés du matériau, ou pour réaliser des soudures entre deux matériaux. Le cisaillement consiste à appliquer une pression tout en faisant glisser des métaux ou des matériaux les uns contre les autres. Cela crée des frictions – et donc de la chaleur – pour combiner et transformer les matériaux.
Cette étude s'est concentrée sur un alliage léger d'aluminium et de silicium largement utilisé dans la défense, aérospatial, et l'industrie automobile. L'équipe a utilisé la force de cisaillement pour restructurer l'alliage au niveau nanométrique. La distribution du silicium a été modifiée au niveau atomique, rendre la microstructure beaucoup plus robuste que des matériaux identiques réalisés de manière classique, " selon le scientifique des matériaux du PNNL Arun Devaraj.
La tomographie par sonde atomique révèle la distribution unique du silicium (rouge) à l'intérieur d'une matrice d'aluminium hautement raffinée (bleu). Cette répartition à l'échelle nanométrique est obtenue par déformation par cisaillement, ce qui conduit à une plus grande résistance de l'alliage. Crédit :Arun Devaraj | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
"Nous avons analysé comment la force de cisaillement introduit une nanostructure hiérarchique, " a déclaré Devaraj. " Les tests de compression ont montré que la nanostructure créée avec le cisaillement avait presque le double de la résistance par rapport à la microstructure du même alliage formé par moulage. " Devaraj et son équipe ont créé des micropiliers à partir de l'alliage coulé avant et après le cisaillement et ont mesuré le quantité de force nécessaire pour comprimer chaque groupe.
Dans le mariage d'un alliage aluminium-silicium, l'aluminium est le doux, un sensible. Le silicium est cassant et dur, avec une tendance à casser. Avant l'expérience, les particules de silicium d'alliage coulé étaient petites - environ 10 microns en moyenne - et réparties dans et entre les grains d'aluminium beaucoup plus gros.
À l'aide de la tomographie par sonde atomique et de la microscopie électronique à l'EMSL, le Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une installation utilisateur du DOE Office of Science au PNNL - l'équipe a observé comment la force de cisaillement modifie la microstructure de l'alliage. Les particules de silicium se sont fracturées en morceaux de plus en plus petits jusqu'à ce qu'elles soient presque dissoutes dans l'aluminium. Les grains d'aluminium sont devenus beaucoup plus petits. Les phases d'aluminium et de silicium présentaient un mélange accru en raison de la déformation par cisaillement.
Comprendre l'influence de la déformation de cisaillement extrême sur la microstructure d'un alliage métallique est crucial pour optimiser les nouvelles méthodes de traitement des matériaux en phase solide. C'est aussi des connaissances utiles pour le domaine de la tribologie, qui traite des interactions entre deux surfaces en mouvement relatif l'une par rapport à l'autre, tels que les roulements à billes et autres pièces d'équipement utilisées dans le transport.
Initiative scientifique de traitement en phase solide du PNNL, un investissement de laboratoire, a financé cette recherche dans le cadre de ses efforts pour faire progresser la compréhension fondamentale des voies de synthèse des matériaux en phase solide et pour permettre la fabrication de matériaux et de composants de nouvelle génération qui pourraient faire la différence dans de multiples industries, y compris l'aérospatiale, transport, énergie, et le recyclage des métaux.
