La déformation induite par le stress le long des bords du nickel nanocristallin reflète l'activité de dislocation observée par les chercheurs de l'Advanced Light Source de Berkeley Lab à l'aide d'une station expérimentale de diffraction des rayons X à cellule diamant-enclume radiale. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Bin Chen, Laboratoire de Berkeley
(Phys.org) - Les nanocristaux en tant que revêtements protecteurs pour les turbines à gaz et les moteurs à réaction de pointe reçoivent beaucoup d'attention pour leurs nombreuses propriétés mécaniques avantageuses, y compris leur résistance au stress. Cependant, contrairement aux simulations informatiques, la petite taille des nanocristaux ne les protège apparemment pas des défauts.
Dans une étude menée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) et des collaborateurs de plusieurs institutions, les nanocristaux de nickel soumis à une pression élevée ont continué à subir une déformation plastique induite par la dislocation même lorsque les cristaux n'avaient que trois nanomètres de taille. Ces découvertes expérimentales, qui ont été réalisées à l'Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, une première source de rayons X et de lumière ultraviolette pour la recherche scientifique, montrent que des dislocations peuvent se former dans les nanocristaux les plus fins lorsqu'une contrainte est appliquée.
« Nous ne pouvons pas ignorer ou sous-estimer le rôle des dislocations - défauts ou irrégularités - dans les nanocristaux fins, car les contraintes externes peuvent changer l'ensemble du tableau, " dit Ben Chen, un scientifique des matériaux du ALS Experimental Systems Group qui a dirigé cette recherche. "Nos résultats démontrent que la déformation induite par la dislocation persiste à des tailles de cristaux plus petites que prévu, principalement parce que les modèles informatiques n'ont pas suffisamment pris en compte les effets des contraintes externes et des joints de grains."
Chen est l'auteur principal et correspondant d'un article en Science décrivant ce travail. L'article s'intitule "Texture du nickel nanocristallin:Sonder la limite de taille inférieure de l'activité de dislocation". Les co-auteurs de cet article étaient Katie Lutker, Selva Vennila Raju, Jinyuan Yan, Kanitpanyacharoen déchiré par la guerre, Jialin Lei, Shizhong Yang, Hans-Rudolf Wenk, Ho-kwang Mao et Quentin Williams.
Une cellule à enclume en diamant radiale permet des expériences de diffraction des rayons X in situ sur la ligne de faisceau 12.2.2 de la source lumineuse avancée de Berkeley Lab. Crédit :Photo de Roy Kaltschmidt, Laboratoire de Berkeley
La déformation plastique est un changement permanent de la forme ou de la taille d'un matériau à la suite d'une contrainte appliquée. La probabilité de déformation plastique augmente avec la présence de dislocations – défauts ou irrégularités – au sein de la structure du matériau. La plupart des matériaux sont constitués de petits cristaux, appelé "céréales, " et ce qui se passe aux frontières entre ces grains est critique pour les propriétés des matériaux. Sur la base de simulations informatiques et d'analyses en microscopie électronique, la croyance a été que la déformation plastique induite par la dislocation devient inactive en dessous d'une taille de grain d'au moins 10 nanomètres, et peut-être aussi grand que 30 nanomètres.
"L'idée était qu'en dessous d'une échelle de longueur critique, l'activité de déformation induite par la dislocation céderait la place à un glissement des joints de grains, la diffusion, et rotation des céréales, " dit Chen. " Cependant, il y avait de nombreuses questions non résolues quant à savoir si la plasticité dans les grains nanocristallins ultrafins pouvait encore être générée par des dislocations et comment la pression pourrait affecter les régimes de déformation."
Pour étudier les effets de la taille des grains et de la pression sur la déformation plastique des nanométaux, Chen et ses collègues ont utilisé ALS Beamline 12.2.2, une ligne de faisceau d'aimants supraconducteurs coudés qui prend en charge les expériences de diffraction radiale des rayons X avec des cellules à enclume en diamant. Chen et ses co-auteurs ont enregistré des observations in situ sous une gamme de pressions élevées de texturation (lorsque les grains cristallins ont des orientations préférées) dans des échantillons de nickel polycristallin soumis à des contraintes présentant des tailles de grains de 500-, 20 et 3 nanomètres.
"Une texturation substantielle a été observée à des pressions supérieures à 3,0 gigapascals pour le nickel avec une taille de grain de 500 nanomètres et à plus de 11,0 gigapascals pour le nickel avec une taille de grain de 20 nanomètres, " dit Chen. " Étonnamment, une texturation a également été observée dans le nickel avec une taille de grain de 3 nanomètres lorsqu'il est comprimé au-dessus de 18,5 gigapascals. Cela nous indique que sous de fortes pressions externes, l'activité de luxation peut être étendue jusqu'à une échelle de quelques nanomètres."
Chen et ses co-auteurs ont commencé avec le nickel nanocristallin car sa structure cubique à centre de face reste stable dans une large plage de pression. Ils appliquent maintenant leurs techniques à l'étude d'autres matériaux nanocristallins, à la fois des métaux et des non-métaux.
