L'ombrage bleu foncé représente une limite séparant deux grains; au fur et à mesure que la frontière se déplace, certains éléments appartenant au grain m font partie du grain n. Crédit :Collège d'ingénierie, L'université de Carnegie Mellon
Un modèle vieux de 70 ans utilisé pour prédire la microstructure des matériaux ne fonctionne pas pour les matériaux d'aujourd'hui, disent les chercheurs de l'Université Carnegie Mellon dans Science . Une technique de microscopie développée par Carnegie Mellon et Argonne National Laboratory fournit des preuves qui contredisent le modèle conventionnel et ouvre la voie à l'utilisation de nouveaux types de caractérisations pour prédire les propriétés - et donc la sécurité et la durabilité à long terme - des nouveaux matériaux.
Si un métallurgiste découvrait un alliage susceptible d'améliorer considérablement les performances d'un avion, cela pourrait prendre jusqu'à vingt ans avant qu'un passager puisse monter à bord d'un avion fait de cet alliage. Sans aucun moyen de prédire comment un matériau changera lorsqu'il sera soumis aux facteurs de stress du traitement ou de l'utilisation quotidienne, les chercheurs utilisent des essais et des erreurs pour établir la sécurité et la durabilité d'un matériau. Ce long processus est un goulot d'étranglement important pour l'innovation des matériaux.
Les professeurs Gregory Rohrer et Robert Suter du Département de science et d'ingénierie des matériaux et du Département de physique de l'Université Carnegie Mellon ont découvert de nouvelles informations qui aideront les scientifiques des matériaux à prédire comment les propriétés des matériaux changent en réponse à des facteurs de stress tels que les températures élevées. En utilisant la microscopie à diffraction à haute énergie en champ proche (HEDM), ils ont découvert que le modèle établi pour prédire la microstructure et les propriétés d'un matériau ne s'applique pas aux matériaux polycristallins et qu'un nouveau modèle est nécessaire.
A l'oeil, métaux les plus couramment utilisés, les alliages et les céramiques utilisés dans les équipements et produits industriels et de consommation semblent être uniformément solides. Mais au niveau microscopique, ils sont polycristallins, constitué d'agrégats de grains de tailles différentes, formes et orientations des cristaux. Les grains sont liés entre eux par un réseau de joints de grains qui se déplacent lorsqu'ils sont exposés à des facteurs de stress, modifier les propriétés du matériau.
Quand ils fabriquent un nouveau matériau, les scientifiques doivent contrôler sa microstructure, qui comprend ses joints de grains. Les scientifiques des matériaux manipulent la densité des joints de grains afin de répondre à différents besoins. Par exemple, la structure entourant l'habitacle d'une voiture est constituée d'un acier à très haute résistance qui contient plus de joints de grains que les panneaux de carrosserie esthétiques dans la zone de déformation avant de la voiture.
Depuis 70 ans, les chercheurs ont prédit le comportement des matériaux à l'aide d'une théorie selon laquelle la vitesse à laquelle les joints de grains se déplacent dans un matériau chauffé est corrélée à la forme du joint. Rohrer et Suter ont montré que cette théorie, formulé pour décrire le cas le plus idéal, ne s'applique pas aux vrais polycristaux.
Images de microscopie par diffraction à haute énergie des vitesses et courbures aux joints de grains et des mobilités calculées. Les vitesses ne sont pas corrélées avec les autres propriétés. Crédit :Collège d'ingénierie, L'université de Carnegie Mellon
Les polycristaux sont plus compliqués que les cas idéaux étudiés dans le passé. Rohrer a expliqué, "Si l'on considère un joint de grain unique dans un cristal, il peut se déplacer sans interruption, comme une voiture roulant sur une chaussée déserte. Dans les polycristaux, chaque joint de grain est connecté, en moyenne, dix autres, alors c'est comme si cette voiture avait heurté la circulation - elle ne peut plus se déplacer aussi librement. Par conséquent, ce modèle ne tient plus." En plus de cela, Rohrer et Suter ont découvert que souvent, les joints de grains polycristallins ne se déplaçaient même pas dans la direction que le modèle aurait prédite.
HEDM, une technique qui a été mise au point par Suter et ses collègues en utilisant la source de photons avancée (APS) du Laboratoire national d'Argonne, a été la clé de ces découvertes. HEDM et ses techniques associées permettent aux chercheurs d'imager de manière non destructive des milliers de cristaux et de mesurer leurs orientations dans des métaux et des céramiques opaques. La technique nécessite des rayons X à haute énergie disponibles uniquement dans l'une des rares sources synchrotron dans le monde.
"C'est comme avoir une vision 3D aux rayons X, " dit Suter. " Avant, vous ne pouviez pas regarder les grains d'un matériau sans le découper. HEDM nous permet de visualiser de manière non invasive les orientations et les limites des grains au fur et à mesure qu'ils évoluent dans le temps."
Le développement de HEDM a commencé il y a environ 20 ans et se poursuit à ce jour. Le groupe de Suter a travaillé avec des scientifiques de l'APS pour développer des procédures pour la collecte synchronisée de milliers d'images de modèles de diffraction des rayons X à partir d'un échantillon de matériau alors qu'il subit une rotation de précision dans un faisceau incident intense. Des codes informatiques de haute performance développés par le groupe de recherche de Suter convertissent les ensembles d'images en cartes tridimensionnelles des grains cristallins qui constituent la microstructure du matériau.
Il y a dix ans, Le groupe de Suter (y compris les étudiants diplômés en physique Chris Hefferan, Shiu-Fai Li, et Jon Lind) ont mesuré à plusieurs reprises un échantillon de nickel après des traitements successifs à haute température résultant en les premières observations des mouvements individuels des joints de grains. Ces mouvements n'ont pas réussi à montrer le comportement systématique prédit par la théorie vieille de 70 ans. Le point de vue développé par les chercheurs de Carnegie Mellon dans l'article Science met en corrélation la structure des joints de grains avec les comportements systématiques observés dans les données expérimentales HEDM.
Alors que l'analyse actuelle est basée sur un seul matériau, nickel, La microscopie à diffraction des rayons X est utilisée sur de nombreux matériaux et Rohrer et Suter pensent que nombre de ces matériaux présenteront un comportement similaire à celui observé dans le nickel. Des applications similaires à d'autres conditions de traitement des matériaux sont également à l'étude.
Cette recherche a été financée par le programme Designing Materials to Revolutionize and Engineer the Future (DRMEF) de la National Science Foundation. La subvention de quatre ans de l'équipe a été renouvelée pour 1,8 million de dollars à compter du 1er octobre. 2021. Kaushik Dayal de Carnegie Mellon, Département de génie civil et environnemental, Elizabeth Holm, Département de science et génie des matériaux, et David Kinderlehrer, Le Département des sciences mathématiques sera également impliqué dans les prochaines étapes de la recherche étudiant comment et pourquoi les polycristaux se comportent de cette façon dans différents matériaux. Professeurs Carl Krill (Université d'Ulm, Allemagne) et Amanda Krause (Université de Floride) font également partie de la collaboration.
