Le cristal de tantale peut s'écouler comme un fluide visqueux tout en restant un métal rigide et solide et en conservant sa structure de réseau ordonnée. Cet instantané représente un réseau dense de défauts de réseau se développant dans le cristal en écoulement. Crédit :Laboratoire national Lawrence Livermore
Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont plongé jusqu'à l'échelle atomique pour résoudre chaque "secouer et tortiller" du mouvement atomique qui sous-tend la résistance du métal.
Dans une première série de simulations informatiques du genre axée sur le tantale métallique, l'équipe a prédit que, en atteignant certaines conditions critiques de déformation, la plasticité du métal (la capacité de changer de forme sous charge) rencontre ses limites. Une limite est atteinte lorsque les défauts cristallins appelés dislocations ne sont plus capables de soulager les charges mécaniques, et un autre mécanisme - le jumelage, ou la réorientation soudaine du réseau cristallin - est activé et prend le relais comme mode dominant de réponse dynamique.
La recherche apparaît dans l'édition du 27 septembre de La nature en tant que publication en ligne anticipée.
Les propriétés de résistance et de plasticité d'un métal sont définies par des dislocations, défauts de ligne dans le réseau cristallin dont le mouvement provoque le glissement du matériau le long des plans cristallins. La théorie de la dislocation cristalline a été avancée pour la première fois dans les années 1930, et de nombreuses recherches depuis lors se sont concentrées sur les interactions des dislocations et leur rôle dans le durcissement des métaux, dans lequel la déformation continue augmente la résistance du métal (un peu comme un forgeron martèle l'acier avec un marteau). Les mêmes simulations suggèrent fortement que le métal ne peut pas être renforcé pour toujours.
"Nous prédisons que le cristal peut atteindre un état ultime dans lequel il coule indéfiniment après avoir atteint sa force maximale, " dit Vasily Boulatov, LLNL auteur principal de l'article. "Les anciens forgerons le savaient intuitivement parce que le principal truc qu'ils utilisaient pour renforcer leurs pièces métalliques était de les marteler à plusieurs reprises de différents côtés, tout comme nous le faisons dans notre simulation de pétrissage du métal."
En raison des limites sévères sur les échelles de longueur et de temps accessibles, il a longtemps été considéré comme impossible, voire impensable, d'utiliser des simulations atomistiques directes pour prédire la résistance du métal. Profitant pleinement des installations HPC de classe mondiale de LLNL grâce à une subvention du programme Computing Grand Challenge du laboratoire, l'équipe a démontré que non seulement de telles simulations sont possibles, mais ils fournissent une multitude d'observations importantes sur les mécanismes fondamentaux de la réponse dynamique et les paramètres quantitatifs nécessaires pour définir les modèles de résistance importants pour le programme de gestion des stocks. Stockpile Stewardship assure la sécurité, la sécurité et la fiabilité des armes nucléaires sans essais.
"Nous pouvons voir le réseau cristallin dans tous les détails et comment il change à toutes les étapes de nos simulations de résistance du métal, " a déclaré Boulatov. " Un œil exercé peut repérer les défauts et même les caractériser dans une certaine mesure simplement en regardant le réseau. Mais l'œil est facilement submergé par la complexité émergente de la microstructure métallique, ce qui nous a poussé à développer des méthodes précises pour révéler des défauts cristallins qui, après avoir appliqué nos techniques, ne laissez que les défauts tout en effaçant complètement le réseau cristallin (parfait) restant sans défaut.
L'équipe de recherche a développé les premières simulations atomistiques entièrement dynamiques de la réponse de résistance plastique du tantale monocristallin soumis à une déformation à grande vitesse. Contrairement aux approches informatiques pour la prédiction de la force, les simulations de dynamique moléculaire atomistique reposent uniquement sur un potentiel d'interaction interatomique, résolvez chaque « tremblement et agitation » du mouvement atomique et reproduisez la dynamique des matériaux dans les moindres détails atomistiques.
