Pour développer des matériaux avancés, une compréhension approfondie de leur microstructure et de leur chimie sous-jacentes est nécessaire. Savoir comment les défauts influencent l’interaction entre la microstructure et la composition chimique est crucial, car ils sont la porte d’entrée de la défaillance du matériau due à la corrosion ou à l’initiation de fissures.
Les scientifiques du Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) ont maintenant développé un flux de travail et un code pour analyser et interpréter les défauts bidimensionnels, appelés joints de grains, dans les aciers. Ils ont identifié que certains motifs atomiques ordonnés, le plus petit niveau hiérarchique structurel dans les matériaux, régissent les propriétés chimiques les plus importantes des joints de grains. La conception de ces motifs atomiques ouvre la voie à des matériaux plus durables et sur mesure. Les chercheurs du MPIE ont publié leurs résultats dans Communication Nature.
Les motifs atomiques régissent les propriétés chimiques des joints de grains
« Les deux principaux défis de l’analyse des joints de grains jusqu’à leur échelle atomique sont, d’une part, l’énorme quantité de paramètres qu’il faut contrôler pour comprendre l’effet de chaque paramètre sur les propriétés du matériau. Et d’autre part, la difficulté d’observer les éléments légers avec microscopie électronique à transmission », explique le Dr Xuyang Zhou, premier auteur de la publication et chef adjoint du groupe Atom Probe Tomography au MPIE.
« Nous avons développé un flux de travail et un code pour la microscopie électronique à transmission qui implique la croissance de bicristaux d’un alliage fer-bore-carbone avec la même orientation cristalline mais des plans de joints de grains changeants. De cette façon, nous avons pu contrôler les paramètres interférents. Pour interpréter les données , j’ai développé un code qui aide à voir des éléments légers comme le bore et le carbone dans les joints de grains de fer. C’est en fait la première fois que nous avons pu observer des éléments légers dans les joints de grains de métaux lourds, comme le fer.
Les chercheurs ont montré que même la simple inclinaison du plan des joints de grains avec une désorientation identique a un impact sur la composition chimique et l’arrangement atomique de la microstructure et rend le matériau plus ou moins sujet aux défaillances.
« Jusqu’à présent, il n’était pas possible d’imager les éléments légers et lourds dans les motifs atomiques des joints de grains dans l’acier. En particulier, l’espace ouvert dans les structures atomiques ordonnées, appelées sites interstitiels, détermine la solubilité des éléments légers dans un joint de grains. Cela permettra à l’avenir la conception ciblée et la passivation de l’état chimique des joints de grains pour les libérer de leur rôle de porte d’entrée pour la corrosion, la fragilisation par l’hydrogène ou la défaillance mécanique », explique le professeur Gerhard Dehm, co-auteur de la publication et directeur du département MPIE Structure et Nano-/Micromécanique des Matériaux.
Les scientifiques ont également utilisé l’apprentissage automatique pour analyser la composition des joints de grains dans les données obtenues par tomographie par sonde atomique. La tomographie montre comment différents éléments sont distribués dans le joint de grain, offrant la possibilité de générer une analyse statistique de la corrélation structure-composition.
Prochaines étapes : simulations et tests in situ
L’équipe de chercheurs travaille maintenant avec le département Computational Materials Design du MPIE pour utiliser le code développé et les données expérimentales pour simuler le comportement d’éléments légers comme le bore, le carbone ou l’hydrogène dans les matériaux.
De plus, Zhou et ses collègues développent des configurations pour des tests de chauffage et de traction in situ dans des microscopes électroniques à transmission afin d’analyser plus en détail le comportement des joints de grains dans des conditions externes changeantes. Cette étude fournit des preuves expérimentales directes pour comprendre la nature chimique des joints de grains sur la base de leurs propriétés structurelles à l’échelle atomique.
Plus d’information:
Xuyang Zhou et al, Les motifs atomiques régissent la décoration des joints de grains par des solutés interstitiels, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-39302-x