S'associer pour se déplacer: une ancienne énigme de la métallurgie résolue !

Publié par Redbran le 30/09/2022 à 13:00
Source: CNRS INP

L'alliance du calcul et de la microscopie électronique "in situ" ont permis de résoudre un mystère vieux de plus de 50 ans lié la déformation plastique des métaux cubiques centrés.


Image de microscopie électronique in situ à -170ºC montrant des dislocations qui assurent la déformation plastique du niobium (Le niobium est un élément chimique, de symbole Nb et de numéro atomique 41. C'est un...) (la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...) de la photo correspond à 2 micromètres).
Crédit: CEMES

La résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) et la contrainte de déformation des cristaux sont contrôlées par le mouvement des dislocations, des lignes de défauts cristallins qui se déplacent quand le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) est déformé, et qui rendent compte de la grande plasticité de la plupart des métaux et alliages. Dans la plupart des cristaux, les dislocations se déplacent préférentiellement dans les plans cristallographiques où la contrainte motrice est la plus forte. En revanche, la situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) est plus complexe dans les métaux de structure cubique centrée (un type de cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...) très répandu, la structure du niobium, du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) ou du tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de...) par exemple), où les dislocations peuvent glisser dans des plans beaucoup moins sollicités à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...). Ce glissement dit "anomal" a été observé pour la première fois en 1969, mais son origine n'a jamais été élucidée.

En réalisant des expériences de déformation pendant l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) sous un microscope électronique (Un microscope électronique est un type de microscope qui utilise un faisceau de particules...) à transmission, des chercheurs du Centre d'élaboration de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) et d'études structurales (CEMES, CNRS) et du CEA ont suivi en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) réel et caractérisé précisément le mouvement des dislocations sous contrainte.

Ainsi, les scientifiques ont pour la première fois observé que dans du niobium déformé à -170°C, le glissement anomal est dû au mouvement extrêmement rapide (plusieurs ordres de grandeur supérieur à celui des dislocations individuelles) d'un assemblage de 4 dislocations appelé multi-jonction. Ce mode de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) a constitué une réelle surprise, car de telles multi-jonctions n'avaient jamais été observées auparavant, et la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de l'élasticité ne prévoyait pas leur existence dans les métaux faiblement anisotropes comme le tungstène. Ce travail a montré que non seulement elles existent dans des régimes dynamiques, mais qu'elles sont en fait responsables du glissement anomal dans presque tous les métaux de structure cubique centrée.


Par différence entre deux images séparées de 40 millisecondes, le mouvement coordonné de quatre dislocations est mis en évidence. Crédit: CEMES

Cette avancée a été réalisée grâce à l'observation d'échantillons de niobium et de tungstène ultra-purs dans un microscope électronique du CEMES équipé pour les études dynamiques sous contrainte mécanique. En parallèle, des simulations numériques à l'échelle atomique ont reproduit l'évolution des configurations observées, confirmant l'interprétation proposée. Ce travail est publié dans la revue Nature.

Références:
Anomalous slip in body-centred cubic metals.
D. Caillard, B. Bienvenu et E. Clouet, Nature, paru le 28 décembre 2021.
DOI: 10.1038/s41586-022-05087-0
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