Alliages de magnésium, frontières jumelles et ségrégation

Dans le lointain 1903, les célèbres frères Wright ont construit le premier avion équipé d'un moteur. La plupart de cette incroyable machine était en épicéa. Aujourd'hui, les avions en bois sont des objets exposés au musée, mais à cette époque, l'utilisation de ce matériau était justifiée par sa résistance et sa légèreté.

Aujourd'hui, dans l'aviation, la construction navale et d'autres industries, des matériaux beaucoup plus complexes sont utilisés, parmi lesquels les alliages à base de magnésium sont loin d'être les derniers. Malgré tous ses avantages, ces alliages présentent un certain nombre d'inconvénients qui empêchent leur application plus large. Aujourd'hui, nous vous rencontrerons une étude dans laquelle des scientifiques de l'Université Monash (Melbourne, Australie) ont découvert une nouvelle méthode pour créer un alliage de magnésium plus durable et léger. Comment ont-ils réussi, quelles nouvelles propriétés physiques et chimiques ont été révélées et quel rôle a joué la cartographie aux rayons X dans ce travail? Nous trouverons des réponses à ces questions dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Un peu d'histoire

À l'état pur, le magnésium a été isolé pour la première fois en 1828 par le chimiste français Antoine Bussy. Mais ce n'est pas la première apparition du magnésium dans l'histoire de l'humanité. En 1695, dans la ville d'Epsom (Angleterre), le sel a été isolé de l'eau minérale, qui est maintenant connue sous le nom de sulfate de magnésium heptahydraté (MgSO ₄ · 7H ₂ O). Cette substance était très amère au goût et avait des propriétés laxatives, qui ont apparemment été identifiées par la seule méthode possible à l'époque - en pratique. Après près de 100 ans en 1792, Anton von Ruprecht a pu isoler du MgO une substance qu'il appelait l'Autriche. Il s'est avéré que l'Autriche est en magnésium, mais avec un très faible degré de pureté. Et déjà en 1828, Bussy a pu obtenir du magnésium pur, reconstituant son chlorure fondu avec du potassium métallique. Un peu plus tard, en 1830, Michael Faraday par l'électrolyse du chlorure de magnésium fondu (MgCl ₂ ) a également reçu du magnésium pur (Mg).


Antoine Bussy

Cependant, le magnésium n'a acquis une importance industrielle qu'au début des années trente du XXe siècle, après quoi la production d'alliages à partir de celui-ci n'a cessé de croître.

En savoir plus sur les alliages de magnésium ici .

Dans l'ingénierie moderne, les alliages de magnésium sont également largement utilisés, mais leur gamme d'applications peut être élargie, comme disent les chercheurs.

Dans leurs travaux, ils ont démontré la capacité de visualiser la ségrégation * dans les alliages de magnésium en appliquant une spectroscopie de dispersion des rayons X à résolution atomique à une tension beaucoup plus faible que ce que l'on pensait auparavant. Les scientifiques démontrent également une ségrégation conjointe à la frontière des grains jumeaux * dans un alliage de magnésium avec de grandes et petites substances dissoutes formant des colonnes alternées qui occupent complètement les frontières jumelles * .

Ségrégation * - un changement de l'état physique d'un milieu inhomogène.

La frontière de grain * est l'interface entre deux grains dans un matériau polycristallin.

Les limites des jumeaux * - l'interface entre les deux parties du cristal, qui se reflètent entre elles.

D'une manière générale, cette étude montre que l'analyse atomique de la structure et de la composition chimique des substances dissoutes dans les alliages métalliques de composition complexe est plus que possible.

Base d'étude

Les scientifiques notent que les joints de grains jouent un rôle important dans le contrôle des propriétés mécaniques de nombreux matériaux polycristallins, en particulier les alliages de magnésium légers. Le plus grand obstacle à une utilisation plus large du magnésium dans les industries aérospatiale et automobile est la difficulté de contrôler la déformation au cours des processus thermomécaniques.

À l'heure actuelle, il est connu que l'ajout d'éléments de terres rares (RE) à un alliage de magnésium conduit à un affaiblissement significatif de la texture de recristallisation. Et l'ajout d'une combinaison d'éléments de terres rares et de terres non rares peut conduire à une texture encore plus faible de recristallisation.

De plus, l'ajout de RE conduit à un grand nombre de jumeaux de déformation, qui fournissent plus de sites de nucléation pour les grains de recristallisation avec une orientation aléatoire.

Les chercheurs notent que la combinaison de gros et de petits atomes des éléments d'alliage correspondants peut conduire à une texture beaucoup plus faible et une meilleure formabilité * en maximisant la ségrégation des joints.

Formabilité * - la capacité d'une poudre métallique à acquérir et à maintenir une forme donnée sous l'action de la pression et de la gravité appliquées.

Cependant, l'obtention d'informations suffisantes sur ces processus et leur effet sur la structure globale de l'alliage ne peut être effectuée à un niveau suffisamment précis sans données expérimentales sur l'échelle atomique de la structure de l'alliage, la composition chimique des frontières jumelles, etc.

Pour résoudre ce problème, on peut utiliser PEM - un microscope électronique à balayage à transmission équipé d'un régulateur d'aberration sphérique. Cet appareil vous permet d'observer la distribution des atomes lourds en utilisant une technique de visualisation basée sur le contraste Z, ainsi que des atomes plus légers (oxygène, lithium ou hydrogène) grâce à la visualisation en champ lumineux en anneau.

Cependant, l'analyse de ces images de contraste Z devient problématique lorsque les alliages ont plusieurs éléments d'alliage * .

Élément d'alliage * - un élément qui est ajouté au métal et y reste, tout en changeant sa structure et sa composition chimique.

Bien sûr, il est possible d'étudier la chimie des frontières entre les grains en utilisant la tomographie à sonde atomique, mais il est extrêmement difficile de déterminer en détail l'emplacement de l'atome de la substance dissoute à la frontière.

Un autre problème dans l'étude des éléments d'alliage des alliages légers est que la ségrégation est endommagée par un faisceau d'électrons. Pour les alliages de magnésium, ce problème est particulièrement aigu lorsque les atomes séparés de la substance dissoute se transforment en une seule colonne atomique.

Cependant, ne désespérez pas, car les chercheurs dans leur travail ont trouvé un moyen de résoudre ce problème. Il suffit de disposer d'une spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) à une tension beaucoup plus faible.

En utilisant cette méthode, les scientifiques ont pu découvrir le modèle de ségrégation conjointe des éléments dissous à la frontière jumelle, ainsi que le mécanisme de migration de la frontière jumelle.

Le sujet de test dans cette étude était l'alliage Mg-RE-Ag, qui possède d'excellentes propriétés mécaniques à température ambiante et à température élevée. Il est important que Nd ait une taille atomique plus grande que Mg, mais Ag ait une taille atomique plus petite que Mg.

Étant donné que Nd et Ag ont des numéros atomiques plus élevés dans le tableau périodique, ils ne conviennent pas à l'imagerie à contraste Z. Autrement dit, leur distribution à l'échelle atomique ne peut être détectée qu'en utilisant EDS.

Résultats de recherche

Image n ° 1

Les images 1a et 1b montrent des images PEM à fond noir de (1012) frontières jumelles dans un échantillon plastiquement déformé et recuit. Toutes les colonnes atomiques à l'intérieur de cette frontière présentent un contraste plus brillant que les colonnes dans une matrice ou un jumeau. Étant donné que la luminosité d'une colonne atomique individuelle dans une image PEM à fond noir est approximativement proportionnelle au carré du nombre atomique moyen, un contraste plus lumineux indique l'enrichissement de la substance dissoute. Dans le même temps, il est difficile de déterminer quelles sont exactement les colonnes lumineuses individuelles riches en - Nd, Ag ou les deux, car les numéros atomiques de Nd (60) et Ag (47) sont plus élevés que ceux de Mg (12). Pour cette raison, il a été décidé d'appliquer la résolution atomique EDS.

Les figures 1c - 1e montrent les images EDS de la frontière jumelle illustrée en 1b . Ces données ont été obtenues en utilisant une tension nettement inférieure (120 kV) à ce que ce type de microscopie (300 kV) requiert habituellement.

Les images EDS indiquent clairement que les atomes Nd se séparent exclusivement dans les lieux d'expansion (cercles sur 1b - 1e ), mais les atomes Ag sont concentrés exclusivement dans les lieux de compression. Un schéma de ségrégation similaire diffère de celui observé dans les alliages Mg-Gd-Zn, où les atomes plus ou moins grands du soluté sont concentrés uniquement aux endroits d'expansion.

Il a également été constaté qu'avec un rayonnement électronique continu, les colonnes atomiques enrichies en Nd sont beaucoup plus stables que les colonnes enrichies en Ag. Pour cette raison, la qualité des images EDS pour Nd est meilleure que pour Ag.

Ensuite, il a fallu établir l'emplacement des atomes conjointement séparés de la substance dissoute. Pour cela, les scientifiques ont étudié la frontière jumelle séparée (1012) le long de la direction jumelle (1011).

Lorsqu'ils sont vus le long de (1011), le jumeau et la matrice montrent des projections identiques des colonnes atomiques, et les diagrammes de diffraction de ces deux cristaux sont également identiques. Et cela rend difficile l'étude des frontières des jumeaux au niveau atomique. Mais la ségrégation des atomes de l'élément dissous permet d'observer directement la frontière des jumeaux dans les images PEM à fond noir ( 1f - 1g ).

Toutes les colonnes à la frontière jumelle présentent un contraste plus brillant, ce qui indique un enrichissement en soluté le long de la direction étudiée. Et, encore une fois, malgré le fait qu'il est difficile de faire la distinction entre Nd et Ag dans les images PEM, les images EDS correspondantes avec une résolution atomique indiquent clairement que chaque colonne atomique contient des atomes Nd et Ag ( 1h - 1j ).

En combinant les données des images PEM et EDS des deux directions orthogonales susmentionnées, il a été possible d'obtenir la distribution des atomes Nd et Ag à l'intérieur (1012) des limites jumelles ( 1k ). Le long de la direction (1210) correspondant à la flèche bleue du diagramme, chaque colonne atomique contient des atomes Nd ou Ag. Et le long de la direction (1011), c'est-à-dire la flèche rouge, les atomes Nd et Ag sont répartis alternativement dans chaque colonne.

L'image 1l montre schématiquement les couches de ségrégation le long de (1210) et (1011). Une simulation a également été réalisée, dont les résultats sont en excellent accord avec les données expérimentales ( 1n - 1o ).


Image n ° 2

Le phénomène de ségrégation conjointe (co-ségrégation) a également été observé à la frontière jumelle (1011). L'image 2a montre une image PEM (1011) de la frontière jumelle dans un échantillon déformé et recuit. Comme dans les observations précédentes, les sites d'expansion et les sites de compression sont remplis de soluté. Les atomes de Nd se séparent aux sites d'expansion et les atomes d'Ag aux sites de compression ( 2b - 2e ). Ainsi, il existe un modèle de ségrégation similaire à celui à la frontière jumelle (1012).


Image n ° 3

Ensuite, les scientifiques ont fait des calculs afin d'identifier la source d'une image aussi inhabituelle de ségrégation articulaire, lorsque des colonnes alternées d'atomes grands et petits de substances dissoutes occupent toute la frontière des jumeaux.

Les graphiques ci-dessus montrent les énergies relatives calculées pour la plage d'inclusions (fractions) du soluté aux limites jumelles (1012) et (1011).

Pour la frontière (1012), on peut voir que pour le lieu d'expansion, le plus favorable est le remplissage complet de la colonne avec Nd atomes dans la direction (1210) ( 3a ). Dans les observations précédentes, les atomes plus grands et plus petits du soluté ne se séparent que sur les sites d'expansion, mais nous voyons ici la présence d'atomes mixtes de Nd et d'Ag dans une colonne du site d'expansion, ce qui conduit à une augmentation de l'énergie.

Une diminution significative de l'énergie est observée si le site de compression est complètement occupé par des atomes d'Ag (ligne pointillée à 3a ), ce qui est cohérent avec les résultats expérimentaux.

Le graphique 3b montre les niveaux d'énergie au site de compression. Ici, le niveau d'énergie minimum est également observé si le site de compression est entièrement occupé par des atomes d'Ag et le site d'expansion par des atomes de Nd.

Pour la frontière (1011), on peut voir que le scénario le plus favorable est de remplir le site de compression d'atomes Ag et les sites d'expansion d'atomes Nd ( 3c - 3d ).


Image n ° 4

L'étape suivante de l'étude de la ségrégation articulaire a été la détermination des mécanismes de migration des frontières des jumeaux, qui a été effectuée par des calculs (image n ° 4).

Il convient de noter que la présence de Nd et d'Ag à la frontière jumelle conduit à un changement dans le mécanisme de migration des frontières du régime généralement accepté vers un régime complètement nouveau.

Les atomes dans le plan limite des jumeaux et ses plans voisins les plus proches (premier et deuxième) se comportent différemment lorsqu'une déformation de cisaillement externe est appliquée. Dans une situation où il n'y a pas de ségrégation du soluté ( 4a ), l'angle α associé à la frontière jumelle initiale diminue progressivement avec l'augmentation de la contrainte de cisaillement du fait que les atomes Mg du site de compression © se déplacent dans la direction opposée aux atomes Mg du site d'expansion (E) . L'angle α diminue de 180 ° à 164 °. A ce moment, l'angle β associé à l'ancienne couche augmente jusqu'à 180 ° et devient le prochain plan de la frontière jumelle déplacée ( 4b ). Il y a également un léger changement d'angle γ associé à la première couche.

Une telle permutation synchrone des atomes conduit au mécanisme de migration de la frontière jumelle, qui comprend la formation de discontinuités de deux (1012) couches. Cependant, lorsque Nd et Ag sont présents à la frontière jumelle ( 4c ), le mécanisme de brassage est réduit.

Avec une augmentation de la déformation de cisaillement appliquée ( 4d ), l'angle α reste proche de 180 ° et empêche le mouvement de brassage aux endroits de compression et de dilatation, qui se produit lorsque l'angle β augmente avec la déformation appliquée en l'absence de substance dissoute.

Alors que les angles α et β restent relativement inchangés avec l'augmentation de la déformation de cisaillement, l'angle γ augmente avec la déformation appliquée en raison du mouvement de l'atome Mg dans la direction opposée à ses deux atomes voisins dans la première couche. En conséquence, l'angle γ atteint 180 ° et devient le prochain plan de la frontière déplacée des jumeaux.

Ce mécanisme de migration des frontières jumelles à travers une couche (au lieu de deux) est très différent du mécanisme de migration, où il n'y a pas de ségrégation du soluté ( 5a ).

Pour déterminer les caractéristiques générales du mécanisme de migration décrit ci-dessus, des cas ont été calculés dans lesquels la ségrégation à la frontière jumelle s'est produite avec des atomes Nd ou avec des atomes Ag, c'est-à-dire dans un système d'alliages doubles.

Dans le cas où seul Nd ( 4e ) est présent à la frontière jumelle, la tendance au brassage atomique est similaire à celle observée en présence de Nd et d'Ag à la frontière jumelle ( 4d ). Les angles α et β ne changent pratiquement pas et l'angle γ augmente avec l'augmentation de la déformation de cisaillement ( 4f ).

Les scientifiques ont suggéré que ce nouveau mécanisme de migration peut se produire dans les alliages de magnésium contenant des éléments de terres rares ou d'autres impuretés qui complètent le Mg-Nd. Ceci est également mis en évidence par le fait que dans le cas de la présence exclusive d'Ag ( 4g ) sur la frontière jumelle, le mécanisme de migration frontalière est le même qu'en l'absence de ségrégation des substances dissoutes ( 4b ).

Lorsque les angles du plan d'origine de la frontière et de la deuxième couche changent en raison d'une augmentation de la déformation de cisaillement, l'angle γ associé à la première couche change légèrement ( 4h ).


Image n ° 5

Il existe également une théorie selon laquelle la ségrégation combinée des atomes de Nd et d'Ag à la frontière jumelle peut réduire considérablement la mobilité de cette frontière même. Thermodynamiquement, la ségrégation d'un soluté peut réduire l'énergie limite et, par conséquent, augmenter la stabilité et en même temps réduire la mobilité de la double limite. Cinétiquement, la ségrégation du soluté à la frontière jumelle aura un effet de liaison ou de résistance à la migration de la frontière.

La contrainte de cisaillement calculée en fonction de la courbe de déformation pour la limite (1012) de jumeaux avec / sans atomes de Nd et Ag séparés est montrée dans le graphique 5b .

Dans une situation où il n'y a pas de séparation de la substance dissoute, c'est-à-dire uniquement du Mg, la frontière jumelle commence à migrer à une contrainte de cisaillement supérieure à 116 MPa. Lorsque les limites des jumeaux sont remplies de Nd et d'Ag, on observe un changement significatif de la contrainte de cisaillement et l'apparition de la limite de déformation élastique.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Dans cette étude, les scientifiques ont pu démontrer la possibilité d'étudier la structure et la composition chimique des limites des jumeaux dans les alliages de magnésium au niveau atomique, ce qui était auparavant considéré comme presque impossible. La technique qu'ils ont découverte a permis de détecter un modèle de ségrégation inhabituel qui provoque un fort effet d'épinglage sur les interfaces, et un mécanisme de migration qui n'a pas été étudié auparavant.

Les données de ségrégation fournissent une image plus précise de la stabilité thermique et de la mobilité des interfaces à l'intérieur des alliages, ce qui a un effet significatif sur leurs propriétés dans leur ensemble.

Ainsi, les scientifiques ont pu étudier plus en détail ce qui a été utilisé pendant des décennies. L'étude des propriétés, processus et phénomènes cachés nous permet d'élargir notre compréhension de tel ou tel objet, qu'il s'agisse d'un élément unique ou d'un alliage.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars! :)

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