En réalisant des essais micromécaniques sur des monocristaux de nickel, Les chercheurs sur les matériaux de l'ANSTO ont pu dériver les propriétés en vrac d'un matériau polycristallin d'une manière utile pour l'ingénierie.

Les propriétés de traction sont généralement extraites de modèles mathématiques informatiques ou sophistiqués à la suite d'essais d'indentation ou de micro-cantilever, lorsque le volume de matière disponible est faible, comme dans le cas des multicouches en couches minces, matériaux et revêtements de surface irradiés par des ions.

Dans un article publié dans l'International Journal of Plasticity, les chercheurs dirigés par le scientifique principal de l'ANSTO, le Dr Dhriti Bhattacharyya, ont rapporté les résultats d'essais de micro-traction in situ pour évaluer les effets combinés de la vitesse de déformation et de l'orientation sur le comportement de déformation dans des monocristaux de nickel.

"Bien que différentes orientations soient connues pour avoir des forces différentes, nous voulions déterminer le comportement contrainte/déformation tirant le long d'une direction du cristal ou d'une autre et si la vitesse de déformation, ou taux de déformation, eu des effets différents dans des directions différentes, " dit Bhattacharyya.

La sensibilité à la vitesse de déformation est un phénomène bien connu dans les tests macroscopiques mais il n'est pas bien compris au niveau microscopique, " il a dit.

En plus de contribuer à une compréhension fondamentale de la déformation mécanique à l'échelle microscopique, l'économie de coût potentielle de l'extrapolation des propriétés macro à l'aide d'échantillons de la taille du micron est significative par rapport aux échantillons standard de la taille du millimètre, qui sont parfois impossibles à obtenir dans le cas de couches minces et de matériaux modifiés en surface.

"Nous avons choisi les essais de traction car, pour presque tous les matériaux, vous voulez savoir comment le matériau se comporte sous tension, " dit Bhattacharyya.

Ils ont découvert que tirer le long d'orientations spécifiques du cristal fait une différence dans la résistance ultime, la ductilité et la façon dont le cristal s'est déformé.

Dans les matériaux polycristallins, parce que chaque grain a une orientation différente, une sorte de moyenne est utilisée pour déterminer les propriétés du grain

Dans ces expériences, l'effet de la vitesse de déformation et de l'orientation cristalline a été mesuré dans 10 échantillons d'une taille de 12 microns.

Le Dr Alan Xu a tiré les échantillons à l'aide d'une machine d'essai micromécanique de pointe le long d'une direction perpendiculaire à la face cubique de la cellule unitaire de cristal (100) et le long de la diagonale de la face de la cellule unitaire (110) et a mesuré la réponse.

Les orientations ont été choisies en raison de l'attente de glissements multiples sur différents nombres de systèmes de glissement.

"Nous avons trouvé des comportements différents tant au niveau du déplacement, comment la forme se déforme, mais aussi en termes de courbe contrainte/déformation, " dit Xu.

L'allongement des [110] échantillons (comme illustré ci-dessus dans la vidéo) était presque le double de celui des [100] échantillons.

La courbe contrainte/déformation a révélé que l'échantillon orienté [110] présentait un pic de contrainte initial, suivi d'un ramollissement, une vallée à fond plat, un durcissement et un pic secondaires et enfin un ramollissement et une rupture.

« Dans cet échantillon, le glissement se produit comme l'éventail d'une pile de cartes, " dit Bhattacharyya.

Le double pic dans une courbe contrainte/déformation est considéré comme un phénomène unique.

Les enquêteurs ont attribué cela à un glissement initial par une série d'étapes de glissement parallèles sur toute la longueur de la jauge. Cependant, une fois que la contrainte d'écoulement a été augmentée en raison de l'écrouissage sur ce plan, accompagné d'une rotation du cristal, un deuxième système de glissement sur un plan différent a été activé.

L'échantillon orienté [100] glisse initialement sur au moins deux plans différents (comme illustré dans la vidéo ci-dessus) ; suivi de quatre systèmes de glissement possibles. De plus en plus d'étapes de glissement se sont formées sur plusieurs plans de glissement autour de la région rétrécie pour s'adapter aux contraintes et l'échantillon s'est fracturé à la manière d'un couteau.

La diffraction de rétrodiffusion par faisceau d'électrons a été utilisée pour identifier l'orientation des cristaux.

« La mesure dans laquelle les cristaux s'écartent de leur orientation d'origine est un indicateur de la rotation du cristal lui-même, " dit Xu.

"En tirant le long des deux orientations a montré que la ductilité a doublé le long de la diagonale du visage, ce qui était intéressant, " dit Bhattacharyya.

La contrainte de cisaillement critique résolue (CRSS), C'est, la contrainte de cisaillement minimale requise pour la déformation plastique le long d'un certain plan, a été calculé à partir de la limite d'élasticité des échantillons monocristallins orientés [100] et [110] à ~73 MPa et ~63 MPa respectivement.

Le léger écart de ces valeurs par rapport aux valeurs CRSS pour le nickel a été attribué aux effets dus à la différence de taille et de densité de dislocation initiale. La densité de dislocation fait référence au nombre de dislocations dans une unité de volume d'un matériau cristallin.

" Surtout, la sensibilité à la vitesse de déformation calculée s'est avérée être du même ordre de grandeur que les échantillons macroscopiques de nickel, " dit Bhattacharyya.

Le chercheur en matériaux de l'ANSTO, Michael Saleh, a utilisé la théorie de la plasticité des polycristaux de Taylor et la théorie de Hall-Petch du renforcement des joints de grains avec les données de contrainte d'écoulement provenant des échantillons expérimentaux de monocristaux afin d'obtenir des sensibilités de contrainte de contrainte approximatives pour les polycristaux.

"Il y avait un accord raisonnable entre la courbe de débit prédite et la courbe expérimentale, " dit Saleh, qui est un expert en modélisation informatique.

"Si nous voulions obtenir la contrainte d'écoulement pour une taille de grain de 100 microns, nous pouvons le faire grâce à ce type de modélisation en utilisant la théorie de la plasticité, parce que la réponse microscopique des monocristaux complète la réponse macroscopique."

La prochaine étape de la recherche consistera à tester des matériaux irradiés par des ions dans des conditions d'essai similaires.