Mieux comprendre les bonnes propriétés mécaniques des alliages harmoniques Ti-Nb-Zr
Publié par Redbran le 02/01/2019 à 14:00
Source: CNRS-INP
Les alliages harmoniques constituent une nouvelle classe de matériaux élaborés par métallurgie des poudres et composés de grains de tailles différentes. Leurs propriétés mécaniques sont supérieures à celles des alliages conventionnels. A l'aide de la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à l'œil nu, soit...) électronique in situ, les mécanismes élémentaires de déformation à l'origine de ces propriétés mécaniques sont analysés ici pour l'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) biomédical Ti-25Nb-25Zr.


(à gauche) Cartographie d'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) montrant la microstructure harmonique (Dans plusieurs domaines, une harmonique est un élément constitutif d'un phénomène périodique ou vibratoire (par exemple en électricité : les...): les différentes couleurs correspondent aux différentes orientations cristallines des gros grains qui sont entourés du squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci...) de grains ultrafins ; (au centre) Image de MET in situ montrant les points d'ancrage d'une dislocation (En science des matériaux, une dislocation est un défaut linéaire correspondant à une discontinuité dans l'organisation de la structure cristalline. Une...) lors de son mouvement sous contrainte ; (à droite) Cartographie d'orientation obtenue in-situ montrant la formation concomitante de lattes de martensite en rose et de macles en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une...).
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Les alliages à base de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) sont beaucoup étudiés en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'applications biomédicales car leurs propriétés mécaniques permettent de les utiliser pour des prothèses osseuses. Récemment, une nouvelle catégorie d'alliages s'est développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille...), les alliages harmoniques, basée sur la même composition chimique que l'alliage conventionnel (ici Ti- 25Nb-25Zr, un alliage à base de titane, niobium et zirconium), mais avec une structure à l'échelle micrométrique différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de...) dans laquelle des gros grains de dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) de l'ordre de 100 micromètres sont entourées par un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle...) tridimensionnel (squelette) de grains ultrafins de dimension de l'ordre de 1 micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.). Cette structure hétérogène permet d'obtenir à la fois une grande résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...),...) et une bonne capacité à se déformer sans fragilité (La fragilité est l'état d'une substance qui se fracture lorsqu'on lui impose des contraintes mécaniques ou qu'on lui fait subir des déformations brutales...) (ductilité), deux propriétés antagonistes habituellement. Ce travail a pour objectif de comprendre les mécanismes fondamentaux à l'origine de ces qualités exceptionnelles en reliant les propriétés mécaniques aux propriétés microstructurales pour les deux types d'alliages, conventionnel et harmonique. Pour cela, des essais mécaniques ont été effectués au sein même d'un microscope électronique à transmission (MET in situ), permettant ainsi de suivre directement l'évolution de la microstructure en fonction de la déformation du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière...) sous contrainte. En confrontant des analyses ex situ et in situ, les chercheurs du Centre d'élaboration de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et d'études structurales à Toulouse (CEMES, CNRS), du Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux à Villetaneuse (LSPM, CNRS) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Max Planck à Düsseldorf ont ainsi pu caractériser les différences de comportement entre les alliages conventionnels et harmoniques.

Un mécanisme bien connu de déformation sous contrainte est le glissement de dislocations, c'est-à-dire la propagation de proche en proche d'un défaut linéaire dans l'agencement atomique. Pour l'alliage conventionnel comme pour l'alliage harmonique, la résistance a été attribuée principalement à l'existence d'ancrages localisés des dislocations dus aux atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...) de niobium ou de zirconium dispersés aléatoirement dans le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale...). Les mesures microscopiques de contrainte à l'échelle de la dislocation individuelle sont comparables aux mesures mécaniques macroscopiques, montrant que l'on explique ainsi bien l'origine de la résistance des alliages. Un autre mécanisme de déformation bien connu est la formation de macles, le maclage étant un processus au cours duquel les atomes se déplacent de façon collective et qui conduit, contrairement au processus de dislocation, à une réorientation du cristal. Grâce au MET in situ, les chercheurs ont pu caractériser pour l'alliage conventionnel l'apparition sous contrainte d'une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) (martensite) qui évolue au sein de bandes de déformation avec la formation de macles d'un type inattendu pour ce type de cristaux. Au contraire, pour l'alliage harmonique, ni martensite ni macles ne sont observées. L'alliage se déforme par le glissement des dislocations qui viennent s'accumuler en bordure du squelette avant d'être transmises à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) du matériau de façon homogène. Cette étude a montré que les mécanismes à l'origine de la déformation des alliages sont profondément différents dans les cas de l'alliage conventionnel et de l'alliage harmonique. En particulier, un mécanisme de redistribution des contraintes et des déformations dans le squelette de la structure harmonique a été identifié pour expliquer le bon comportement de l'alliage harmonique du point (Graphie) de vue de la ductilité (La ductilité désigne la capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu'un défaut (fissure ou cavité), induit par la...).

En savoir plus:
Conventional vs Harmonic-structured β-Ti-25Nb-25Zr alloys: a comparative study of deformation mechanisms
F. Mompiou, D. Tingaud, Y. Chang, B. Gault, G. Dirras
Acta Materialia (2018), doi: 10.1016/j.actamat.2018.09.032

Contact chercheur:
Frédéric Mompiou, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES, CNRS)
Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux (LSPM, CNRS)
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