Plasticité et résistance: durcissement de l'intermétallique sans accent sur la luxation

Il y a des milliers d'années, l'humanité s'est familiarisée avec des matériaux étonnants qui ont trouvé leur application dans divers domaines de la vie. C'étaient des métaux. Comme nous ne pouvons souvent pas simplement utiliser ce que la planète nous donne, de nombreux grands esprits ont trouvé diverses façons de renforcer / durcir les métaux. Mais tout a sa propre limite, et il a été jugé impossible de surmonter certaines limites de la structure cristalline des métaux en ce qui concerne les dislocations. Aujourd'hui, nous allons nous familiariser avec une étude dans laquelle des scientifiques de l'Université du Wisconsin à Madison (USA) ont démontré qu'il était temps de réécrire les règles précédemment établies concernant les métaux. Que pouvait-on faire exactement avec la structure cristalline du métal, pourquoi la fixation des dislocations n'est-elle pas si simple, et quel genre de brioches sont cachés pour l'humanité dans cette étude? Nous en apprenons sur le rapport des scientifiques. Allons-y.

Base d'étude

Forgez le fer, sans sortir de la caisse. Plusieurs termes physiques sont cachés dans cette métaphore à la fois, dont l'un est la malléabilité - une propriété d'un matériau qui détermine sa capacité à être traitée par déformation, c'est-à-dire forgé. Pour les métaux, la ductilité est une sorte d'indicateur de ductilité. C'est cet indicateur qui souffre le plus en cas de renforcement de la résistance du métal, à cause duquel, à un certain moment critique, il peut simplement se fissurer. Dans cette étude, les scientifiques ont créé une technique pour oublier ce problème, mais un peu plus tard.

Au début du siècle dernier, les scientifiques ont réalisé que le pliage d'un métal est beaucoup plus facile que le pliage de sa structure moléculaire, qui est le plus souvent un réseau tridimensionnel. Rien n'est parfait et tout a des défauts, même le réseau cristallin d'un solide. Ils sont appelés dislocations. Ces imprécisions du réseau sont suffisamment mobiles, ce qui permet aux métaux d'être si malléables. Si nous voulons durcir le métal, les dislocations ne peuvent pas être touchées, elles sont intouchables, du moins comme on le pensait auparavant.

Dans les travaux que nous envisageons aujourd'hui, les scientifiques ont pu obtenir un haut degré de déformation plastique pour l' intermétallique * sans l'aide de dislocations.

Intermétallique * - composé de deux métaux ou plus.

Il convient de noter que ses grains (cristallites) jouent un rôle important dans les propriétés mécaniques des métaux. Si les grains sont de petite taille, le principal mécanisme de déformation est le glissement / déplacement des joints de grains. Si les grains sont gros, le métal se déforme par amorphisation directe le long du plan de cisaillement.



Le renforcement du métal est réalisé de diverses manières, dont la plus efficace est le changement de la taille des grains. Plus le grain est petit, plus le métal est solide. Plus scientifiquement, cela peut être exprimé par la loi de Hall-Petch (ou la relation Hall-Petch). L'effet de cette loi entre en vigueur lorsque le mouvement des dislocations le long des joints de grains est bloqué. Cependant, la mise à l'échelle de la résistance en fonction de la taille des grains décrite par cette loi peut détruire les métaux avec un réseau cristallin à face centrée.


Schéma du réseau centré sur le visage.

De plus, cette loi ne peut pas être appliquée à l'infini, car lorsque la taille des grains est inférieure à 12-15 nm, la résistance du métal n'augmente pas, comme le suggère la loi de Hall-Petch, mais diminue plutôt. Ce phénomène est appelé loi de Hall-Petch inverse.

Les chercheurs ne nient pas que la fixation des luxations permet le durcissement du métal, mais cela a un effet négatif tangible sur sa ductilité. C'est pour cette raison que l'étude d'autres mécanismes de placement des déformations, outre les dislocations, peut ouvrir de nouvelles possibilités pour la construction de matériaux aux propriétés mécaniques uniques.

Dans leur travail, les scientifiques ont effectué des modélisations et des expériences pratiques à l'aide de pentacobalt de samarium (SmCo ₅ ) - un composé intermétallique composé de cobalt et de samarium. Ils ont réussi à prouver que la déformation plastique sans mettre l'accent sur les dislocations est non seulement possible, mais aussi assez facilement réalisable.

Résultats de recherche

Avant de tout tester en pratique, les scientifiques ont réalisé une simulation à l'aide du modèle atomique intégré ( EAM ), adapté aux nombreuses propriétés de Sm, Co et Sm-Co. Dans les calculs, différentes tailles de grains ont été prises en compte: de 5 nm à 65 nm. Chacun des échantillons étudiés dans le modèle contenait 10 grains avec une orientation aléatoire. La taille des grains pendant la transition d'un échantillon à l'autre a changé, mais l'orientation est restée la même. Les scientifiques ont créé des modèles de tension uniaxiale et de compression uniaxiale à une vitesse de déformation de 10 ⁸ s ^-1 .


Image n ° 1

Les graphiques 1a et 1b montrent les résultats d'une simulation de compression. Il a été constaté que la conservation de la plasticité est maintenue jusqu'à une taille de grain de 37 nm. Dans le cas de grains plus gros, une augmentation de la contrainte est observée, mais aucun signe du rapport Hall-Petch.

À titre de comparaison, les scientifiques ont effectué une simulation de traction pour le cuivre (Cu), au cours de laquelle les signes de la relation Hall-Petch et le rapport Hall-Petch inverse pour les grains de moins de 12 nm étaient clairement visibles.

Dans le même temps, les échantillons SmCo ₅ montrent une déformation plastique claire pour toutes les tailles de grains sans vides ni fissures, même si la déformation réelle atteint 18%.

Pour confirmer les résultats de la simulation, les chercheurs ont mesuré la microdureté des échantillons de SmCo ₅ avec différentes tailles de grain. Une différence a été trouvée dans les résultats de la dépendance mesurée de la dureté sur la taille des grains ( 1c ) et de la dépendance de la résistance sur la taille des grains ( 1b ) obtenus pendant la simulation. Étant donné qu'une proportionnalité approximative de la microdureté et de la résistance est attendue, on peut dire que les expériences ont confirmé les résultats de la simulation.

Il a également été constaté que la résistance de SmCo ₅ (~ 2 GPa avec une taille de grain de 12 nm) est comparable à la résistance du réseau hcp (hexagonal close-packed) Co.

Dans les métaux HCP (face centrée) et HCP (hexagonaux compacts), l'amélioration des joints de grains avec une diminution de la taille des grains s'explique par une diminution du nombre de dislocations se formant aux limites dans les matériaux à grains fins.

Dans les modèles présentés dans l'étude, aucun glissement de dislocations n'a été observé, ce qui est cohérent avec les barrières énergétiques relativement élevées pour la nucléation et le mouvement des luxations trouvées dans les calculs de la surface d'énergie potentielle (PES) d'un glissement dur.


Image n ° 2

La figure 2a montre des exemples de PES calculés en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et le modèle d'atome immergé (EAM). Les scientifiques notent que malgré l'absence d'une relation directe entre le potentiel et le PSE, les deux méthodes ont donné des résultats très similaires.

Le score EM le plus bas, c'est-à-dire l'énergie maximale, (1982 mJ / m ² ) a été observée pour le glissement basal [(0001) ⟨1120⟩]. La pyramide 2 s + un glissement [(1121) ⟨1126⟩] a un EM comparable au stade de glissement initial, mais l'EM réel apparaissant à une distance de glissement de 6,5 Å est très élevé (65280 mJ / m ² ). La pyramide c + un glissement [(1121) ⟨2113⟩] montre EM (29680 mJ / m ² ) immédiatement au début du glissement.

L'observation la plus importante, selon les chercheurs, est que pour SmCo _5, même l'EM le plus bas est d'un ordre de grandeur supérieur aux valeurs calculées pour les métaux hcp ordinaires.

De plus, l'énergie introduite dans le cristal par la dislocation est proportionnelle à b ² , où b est la longueur du vecteur Burgers * . Les valeurs b pour les luxations dans SmCo _{5 sont} supérieures à 5 Å, c'est-à-dire significativement plus élevé que, par exemple, la valeur de 2,55 Å pour Cu [(111) ⟨110⟩] et 3,21 Å pour les systèmes de glissement Mg [(0001) ⟨1120⟩].

Vecteur de Burgers * - décrit quantitativement les distorsions du réseau cristallin autour de la dislocation.

Bien qu'aucun glissement de luxation complet n'ait été observé pendant les expériences, il y avait des signes de glissement partiel ( 2b + 2c ) sur le système pyramidal ( 2b ). La nature de ce glissement partiel peut être comprise si nous prêtons attention au PSE dans le graphique 2a . Au début du glissement, l'énergie est assez faible et le glissement s'arrête à une distance inférieure à ~ 1,5 Å, car il entre en collision avec un EM élevé.

L'image 2b montre des diapositives pyramidales incomplètes, tandis que l'image 2c montre la même chose, mais au niveau atomique.

La distance de glissement observée pendant la simulation est beaucoup plus courte que la longueur du vecteur Burgess, qui est de 9,5 Å.

Le glissement basal n'a pas été détecté. Cela peut avoir l'explication suivante: la probabilité qu'un seul plan basal aura la plus grande contrainte de cisaillement est inférieure à la probabilité que l'un des trois plans pendant 2 s + un glissement ait une contrainte de cisaillement suffisamment élevée pour déclencher un glissement ( 2c ), même si le glissement basal a la plus faible EM.

Il est évident que SmCo ₅ ne dispose pas de cinq systèmes de glissement indépendants pour les luxations (en fait, ils ne le sont pas du tout) qui peuvent continuer à s'adapter à la déformation, garantissant une déformation plastique arbitraire du polycristal. Les matériaux de ce type sont généralement très fragiles, mais pas dans ce cas, car la modélisation a clairement montré un haut degré de ductilité.


Image n ° 3

Lors de la modélisation et des calculs, il a été constaté que la ductilité du SmCo ₅ est due au glissement des joints de grains et à l'amorphisation directe le long du plan de cisaillement. Les scientifiques ont appelé les structures obtenues à la suite de ces processus des bandes de cisaillement amorphes * .

Bande de cisaillement * - zone de déformation locale dans un métal ou un alliage.

Le plus souvent, des mécanismes dits d'accommodation sont nécessaires pour l'apparition d'un glissement de limite dans les matériaux polycristallins, c'est-à-dire mécanismes qui soulagent la contrainte accumulée dans un triple joint (comme un té en géologie) en raison du glissement des joints de grains adjacents ( 3a - 3d ).

Lorsque la contrainte de cisaillement de la frontière dépasse sa résistance, le glissement même de la frontière ( 3a ) et l'accumulation de contraintes locales dans le composé ternaire ( 3b ) se produisent. Le stress local résiste à glisser davantage le long de la frontière et commence à croître avec l'augmentation du stress. Au moment d'atteindre le point critique, la contrainte conduit à la formation d'une bande de cisaillement amorphe à partir du composé ternaire ( 3c ). Du fait que la nucléation hétérogène libère une contrainte locale ( 3d ), le glissement des frontières se poursuit. Au cours de ce processus, un ramollissement soudain est observé, puis une stabilisation de la tension. Des processus similaires ont été observés à la fois pour la déformation en traction et pour la compression.

Pour confirmer l'amorphose des régions à l'intérieur du glissement, les fonctions de distribution des paires ( PDF - fonction de distribution des paires ) de Co-Co et Sm-Sm dans les régions à grains locaux ont été calculées. Les résultats des calculs ont été comparés à ceux d'un monocristal et d'une masse amorphe ( 3e , 3f ).

Une analyse comparative des calculs a montré que pour les échantillons déformés en compression à 9,4%, les pics de la PDF de la zone cristalline sont plus larges et plus faibles du fait des distorsions locales, mais présentent néanmoins une nette similitude avec ceux d'un monocristal. Mais les PDF calculés dans la bande de cisaillement coïncident parfaitement avec ceux de l'échantillon de SmCo ₅ amorphe en vrac, et la dépendance du PDF sur la taille des grains n'a pas du tout été détectée.

Ensuite, les scientifiques ont dû vérifier leurs prédictions selon lesquelles SmCo ₅ pourrait subir une déformation plastique importante. Pour cela, des expériences ont été menées au cours desquelles des échantillons sous forme de micro-colonnes ont été soumis à une déformation.

Il a été constaté que les échantillons de SmCo ₅ se déforment réellement plastiquement et ne s'effondrent pas lorsqu'ils sont exposés à plus de 20% de contraintes. Ensuite, la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) a été utilisée sur un échantillon SmCo ₅ déformé par la pression. Cela a permis de vérifier la théorie des bandes de cisaillement amorphes provoquées par la contrainte. La microscopie a confirmé la présence de plusieurs bandes de cisaillement dans la région de déformation ( 3g ). La chose la plus intéressante est qu'aucune luxation n'a été trouvée dans la zone d'étude.

Les graphiques FFT (transformée de Fourier rapide) et FFT inverse ont montré que la bande de cisaillement est amorphe, tandis que les régions hors bande sont cristallines ( 3h - 3j ). Il a également été constaté que des bandes de cisaillement amorphes se propagent dans les grains sans se fissurer.

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 ce travail, les chercheurs ont réussi à démontrer leur théorie dans la pratique - le monde n'a pas convergé dans les dislocations sur les dislocations. Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont estimé que les dislocations devraient être mobiles, ce qui permettra au métal d'être ductile et de ne pas se casser à la moindre contrainte. Cependant, cette affirmation est erronée, ce qui a été confirmé par l'étude que nous avons examinée aujourd'hui.

À l'avenir, les scientifiques de l'Université du Wisconsin ont l'intention de poursuivre l'étude des métaux, en se concentrant sur la recherche de leurs propriétés cachées. Peut-être que ces propriétés ne sont pas si cachées, peut-être juste une déclaration erronée précédemment établie qui nous a orientés dans la mauvaise direction des recherches? Peut-être que oui, peut-être que les chercheurs à l'avenir pourront démystifier quelques «axiomes» supplémentaires du monde de la science des matériaux. Ce n'est pas pour rien qu'ils disent, faites confiance - mais vérifiez.

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

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