Métaux et alliages nanograinés, dont la granulométrie est inférieure à 100 nm, présentent une résistance extrêmement élevée et une ductilité élevée, possédant d'excellentes propriétés mécaniques. Matériaux nanograinés, cependant, ont un grand nombre de joints de grains et donc une énergie totale élevée aux joints de grains. A une température supérieure à une température critique, les grains dans les matériaux nanograinés vont croître spontanément pour réduire l'énergie de joint de grain, entraînant une instabilité thermique des matériaux. Une approche courante pour améliorer la stabilité thermique est la ségrégation d'énergie aux joints de grains, qui abaisse thermodynamiquement l'énergie des joints de grains et épingle cinétiquement le mouvement des joints de grains, augmentant ainsi la température critique de recristallisation. Cependant, le rôle des contraintes mécaniques dans la stabilité thermique n'a pas encore été systématiquement étudié.

Un article récemment publié intitulé "Grain bound segregation and relaxation in nano-grained polycristallin alliages, " dans SCIENCE CHINE Physique, Mécanique &Astronomie , étudie systématiquement la stabilité thermique des alliages nanograinés, par l'étude analytique de trois comportements couplés entre joints de grains et grains cristallins parmi les concentrations chimiques et les contraintes mécaniques. Les trois comportements couplés sont 1) le couplage entre la contrainte au joint de grain et la contrainte de grain, 2) ségrégation aux joints de grains, et 3) le couplage entre concentration et contrainte. Finalement, un nouveau critère thermodynamique est développé pour la stabilité thermique des alliages nanograinés, ce qui montre que les contraintes y jouent un rôle extrêmement important. Les auteurs de l'article sont Zhang Tong-Yi, Gao Yingxin et Sun Sheng du Materials Genome Institute, Université de Shanghaï.

L'énergie thermodynamique est divisée en énergie mécanique et énergie chimique et les deux sont couplées l'une à l'autre. L'analyse de l'énergie mécanique considère la contrainte propre aux joints de grains et la déformation propre induite par la ségrégation aux joints de grains et développe une méthode hybride pour résoudre le problème de couplage des contraintes propres et des déformations propres. L'analyse thermodynamique chimique considère la différence des potentiels chimiques des éléments purs dans les joints de grains et dans les grains, et propose donc une isotherme d'adsorption de McLean généralisée, qui inclut naturellement le terme de stress. Sur la base des trois effets de couplage cohérents, un nouveau critère est développé pour la stabilité thermique des alliages nanograinés, et exprimé quantitativement et analytiquement par la différence d'énergie libre molaire entre un alliage polycristallin à nanograins et son homologue monocristallin. Une différence positive ou négative d'énergie libre molaire indique que l'alliage à nanograins est thermiquement instable ou stable.

Les alliages binaires Ni1-xMox sont pris comme exemple pour illustrer, avec des chiffres, les résultats théoriques et les rôles de chacun des paramètres impliqués dans le critère analytique. La présente étude montre que les contraintes jouent un rôle essentiel dans la stabilité thermique des alliages nanograinés. Tout critère sans tenir compte des contraintes internes estimerait partiellement la stabilité thermique des alliages à nanograins.