La modélisation informatique des études de nano-indentation réalisées sur des aciers irradiés par des ions a généré des cartes de champs de contraintes en 3D à une échelle d'ingénierie qui concordent bien avec les résultats expérimentaux.

Le matériau étudié est l'inox 316 recuit, l'alliage structurel le plus couramment utilisé en marine, chimique, pétrochimique, transport, l'industrie manufacturière et les industries nucléaires.

Dans l'étude publiée dans l'International Journal of Plasticity, des chercheurs de l'ANSTO et de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud ont utilisé l'irradiation ionique, la nano-indentation et la microscopie électronique pour mieux comprendre la relation entre la profondeur maximale des dommages et la profondeur maximale de dureté correspondante causée par l'irradiation.

"Ce que nous gagnons du modèle est quelque chose que vous ne pouvez pas observer expérimentalement, surtout de manière visuelle, C'est, un état de contrainte tridimensionnel dans une structure multicouche tel que généré par irradiation ionique, " a déclaré l'auteur principal Michael Saleh, un chercheur en matériaux de l'ANSTO, qui développe des simulations de matériaux avancés dans des environnements extrêmes.

"Il y a eu des modèles créés avec une couche dure et douce, mais dans ces simulations, nous examinions plusieurs couches à l'échelle nanométrique où le gradient était élevé et le calcul des contraintes était complexe."

Dans les simulations, à la position de dureté maximale, les contours de déformation plastique présentaient un profil de zone plastique à double emboutissage.

"Ce n'était rien de moins qu'une révélation car la zone plastique devait être une contrainte sphérique continue, " a déclaré le co-auteur Dr Dhriti Bhattacharyya, un chercheur senior en génie des matériaux, qui a effectué la nano-indentation et les calculs analytiques.

Les enquêteurs ont également trouvé une relation linéaire simple entre la profondeur du pic de dureté et la profondeur du pic de dommage, ce qui a des implications plus larges pour les matériaux stratifiés.

L'objectif de la recherche était de comprendre l'effet du rayonnement sur les propriétés mécaniques du matériau irradié. L'irradiation ionique fournit une méthode rapide et non active pour atteindre des doses de dommages élevées. Cependant, cette procédure d'irradiation provoque différentes quantités de déplacements ou de dommages atomiques dans le matériau à différentes profondeurs, créer une fine couche de matériau avec un grand gradient de dureté (sous forme d'une série de couches à l'échelle nanométrique de résistance variable). L'étude des changements de propriétés mécaniques à travers l'épaisseur de la couche affectée est très difficile. La nano-indentation fournit un moyen relativement simple de sonder la surface modifiée; cependant, l'interprétation des résultats est compliquée par la structure en couches et l'état de contrainte 3-D autour de l'empreinte.

Irradiation ionique

L'acier inoxydable recuit (SS316) a été irradié avec des ions d'hélium à 1, 2 et 3 MeV sur l'accélérateur STAR causant des dommages par déplacement atomique à différentes profondeurs.

Co-auteur Prof Mihail Ionescu, Responsable par intérim du cycle du combustible nucléaire, supervisé l'irradiation ionique au Center for Accelerator Science de l'ANSTO.

L'irradiation ionique provoque différentes quantités de déplacements atomiques ou de dommages dans le matériau à différentes profondeurs, créant une série de couches de dureté différente.

L'irradiation d'un échantillon cible avec des ions à haute énergie peut provoquer les mêmes dommages qui nécessiteraient de nombreuses années pour s'accumuler dans un réacteur nucléaire. Ce type d'irradiation facilite la manipulation des échantillons à tester car ils ne deviennent généralement pas radioactifs.

Nano-indentation

"Nous avons entrepris la nano-indentation car elle peut être utilisée pour mesurer les propriétés mécaniques après irradiation ionique, " dit Bhattacharyya.

L'irradiation ionique a provoqué un durcissement à faible profondeur avec des pics de dureté mesurables et définis.

La surface des échantillons irradiés et non irradiés était nano-indentée avec une pointe pyramidale de forme triangulaire à une profondeur de trois microns.

"La nano-indentation induit des états de contraintes 3-D complexes dans les matériaux, ce qui est encore compliqué dans les couches avec des forces différentes. Il crée également un très grand volume plastique autour de lui, " dit Bhattacharyya.

En utilisant des méthodes analytiques, Bhattacharyya a pu prédire l'augmentation de la dureté à différentes profondeurs à trois énergies différentes avec une précision raisonnable.

"En utilisant un mécanisme de moyennage sur la zone plastique, il a fourni un moyen relativement rapide d'estimer l'augmentation de la dureté due à toute quantité de dommages dans la plage modélisée, " dit Bhattacharyya.

"Toutefois, les dommages maximaux et la dureté maximale ne se produisent pas au même endroit dans le matériau, il atteint une dureté maximale avant les dommages maximaux, et nous voulions comprendre la raison de la différence, " dit Bhattacharyya.

"Vous obtenez une dureté beaucoup plus grande plus près de la surface, en raison du champ de contrainte qui se déplace devant la pointe de nano-indentation.

"Quand vous percez le matériau, il détecte déjà les couches inférieures, qu'il n'a pas atteint.

"La zone plastique est la région autour de la pointe, qui provoque une déformation plastique et la valeur de dureté que vous ressentez est en fait la moyenne de ce volume.

"Mais dans un matériau stratifié, il commencera à détecter les couches les plus dures en dessous avant d'y parvenir. Il atteint le sommet plus tôt."

La différence de profils à différentes énergies peut s'expliquer car la dureté est basée sur une moyenne sur toutes les couches et la répartition des couches change à différentes énergies.

Modélisation informatique

"Nous avons pris des données neutroniques dans la littérature, qui avait établi des schémas d'écrouissage avec des corrélations entre les déplacements par atome (dpa) et l'écrouissage comme point de départ. Avec l'ajustement mathématique, nous avons pu apporter de nombreux raffinements au modèle, " dit Saleh.

Généralement, les modèles surprédisent légèrement mais s'alignent bien en termes de force et de position de pointe. Ils sont à moins de 10 % et, généralement, c'est très bien dans une structure multicouche."

Dans les modèles, le rayon de la zone de plasticité était de huit à neuf fois la profondeur de l'empreinte, pas trois à cinq comme cela avait été prédit ailleurs.

"Si vous pouvez établir une méthodologie fiable, par lequel vous pouvez analyser si votre composant échouera par simple nano-indentation, il y aurait un énorme intérêt de la part de l'industrie, " dit Saleh.

"Cela nous donne un moyen de prédire les positions et les valeurs des pics de dureté attendus pour les doses de rayonnement. Mais le principe fondamental de l'expérience fonctionnera pour tous les matériaux en couches. Le matériau n'a même pas besoin d'être irradié, " dit Bhattacharyya.

"Une fois que nous connaissons la résistance et d'autres paramètres mécaniques, nous pouvons travailler à rebours et déterminer le profil des dommages.

L'étude apporte non seulement une compréhension des changements induits par le rayonnement dans les propriétés de surface des matériaux, mais une meilleure compréhension du processus de nanoindentation dans les matériaux multicouches en général.

Les résultats de la modélisation fournissent des informations sur les propriétés mécaniques qui sont évolutives aux dimensions d'ingénierie."

Les chercheurs poursuivent des études sur d'autres matériaux irradiés par des ions avec des phases multiples et des structures cristallines différentes.