Le façonnage du métal dans les formes nécessaires à diverses fins peut se faire de plusieurs façons, y compris le moulage, l’usinage, le laminage et le forgeage. Ces processus affectent la taille et la forme des minuscules grains cristallins qui composent le métal en vrac, qu’il s’agisse d’acier, d’aluminium ou d’autres métaux et alliages largement utilisés.
Désormais, les chercheurs du MIT ont pu étudier exactement ce qui se passe lorsque ces grains de cristal se forment au cours d’un processus de déformation extrême, aux échelles les plus infimes, jusqu’à quelques nanomètres de diamètre. Les nouvelles découvertes pourraient conduire à des méthodes de traitement améliorées pour produire des propriétés meilleures et plus cohérentes telles que la dureté et la ténacité.
Les nouvelles découvertes, rendues possibles par une analyse détaillée des images d’une suite de systèmes d’imagerie puissants, sont rapportées aujourd’hui dans la revue Matériaux naturels, dans un article de l’ancien post-doctorant du MIT Ahmed Tiamiyu (maintenant professeur adjoint à l’Université de Calgary); les professeurs du MIT Christopher Schuh, Keith Nelson et James LeBeau ; ancien élève Edward Pang; et étudiant actuel Xi Chen.
« Dans le processus de fabrication d’un métal, vous le dotez d’une certaine structure, et cette structure dictera ses propriétés en service », explique Schuh. En général, plus la taille des grains est petite, plus le métal obtenu est résistant. S’efforcer d’améliorer la résistance et la ténacité en réduisant la taille des grains « a été un thème primordial dans toute la métallurgie, dans tous les métaux, au cours des 80 dernières années », dit-il.
Les métallurgistes appliquent depuis longtemps une variété de méthodes développées empiriquement pour réduire la taille des grains dans un morceau de métal solide, généralement en lui conférant divers types de déformation en le déformant d’une manière ou d’une autre. Mais il n’est pas facile de rendre ces grains plus petits.
La principale méthode est appelée recristallisation, dans laquelle le métal est déformé et chauffé. Cela crée de nombreux petits défauts tout au long de la pièce, qui sont « très désordonnés et partout », explique Schuh, professeur de métallurgie Danae et Vasilis Salapatas.
Lorsque le métal est déformé et chauffé, tous ces défauts peuvent former spontanément les noyaux de nouveaux cristaux. « Vous passez de cette soupe désordonnée de défauts à des cristaux nucléés fraîchement neufs. Et parce qu’ils sont fraîchement nucléés, ils commencent très petits », conduisant à une structure avec des grains beaucoup plus petits, explique Schuh.
Ce qui est unique dans le nouveau travail, dit-il, c’est de déterminer comment ce processus se déroule à très grande vitesse et aux plus petites échelles. Alors que les processus typiques de formage des métaux, tels que le forgeage ou le laminage de tôles, peuvent être assez rapides, cette nouvelle analyse examine les processus qui sont « plusieurs ordres de grandeur plus rapides », explique Schuh.
« Nous utilisons un laser pour lancer des particules métalliques à des vitesses supersoniques. Dire que cela se produit en un clin d’œil serait un euphémisme incroyable, car vous pourriez en faire des milliers en un clin d’œil », déclare Schuh.
Un tel processus à grande vitesse n’est pas seulement une curiosité de laboratoire, dit-il. « Il y a des processus industriels où les choses se passent à cette vitesse. » Ceux-ci incluent l’usinage à grande vitesse; broyage à haute énergie de poudre métallique; et une méthode appelée pulvérisation à froid, pour former des revêtements. Dans leurs expériences, « nous avons essayé de comprendre ce processus de recristallisation à ces taux très extrêmes, et parce que les taux sont si élevés, personne n’a vraiment été capable de creuser là-dedans et d’examiner systématiquement ce processus auparavant », dit-il.
En utilisant un système à base de laser pour tirer des particules de 10 micromètres sur une surface, Tiamiyu, qui a mené les expériences, « a pu tirer sur ces particules une à la fois, et vraiment mesurer à quelle vitesse elles vont et à quel point elles frappent », Schuh dit. En tirant sur les particules à des vitesses toujours plus rapides, il les ouvrait ensuite pour voir comment la structure du grain évoluait, jusqu’à l’échelle du nanomètre, en utilisant une variété de techniques de microscopie sophistiquées à l’installation MIT.nano, en collaboration avec des spécialistes de la microscopie.
Le résultat a été la découverte de ce que Schuh dit être une « nouvelle voie » par laquelle les grains se formaient jusqu’à l’échelle du nanomètre. La nouvelle voie, qu’ils appellent recristallisation assistée par nano-jumeaux, est une variation d’un phénomène connu dans les métaux appelé jumelage, un type particulier de défaut dans lequel une partie de la structure cristalline change d’orientation. C’est un « retournement de symétrie miroir, et vous finissez par obtenir ces motifs rayés où le métal inverse son orientation et se retourne à nouveau, comme un motif à chevrons », dit-il. L’équipe a découvert que plus le taux de ces impacts était élevé, plus ce processus se produisait, conduisant à des grains de plus en plus petits à mesure que ces « jumeaux » à l’échelle nanométrique se décomposaient en nouveaux grains de cristal.
Dans les expériences qu’ils ont faites avec du cuivre, le processus de bombardement de la surface avec ces minuscules particules à grande vitesse pouvait multiplier par dix la résistance du métal. « Ce n’est pas un petit changement dans les propriétés », dit Schuh, et ce résultat n’est pas surprenant puisqu’il s’agit d’une extension de l’effet connu de durcissement qui provient des coups de marteau du forgeage ordinaire. « C’est une sorte de phénomène d’hyper-forgeage dont nous parlons. »
Dans les expériences, ils ont pu appliquer une large gamme d’images et de mesures aux mêmes particules et sites d’impact, explique Schuh : « Nous finissons donc par obtenir une vue multimodale. Nous obtenons différentes lentilles sur la même région et le même matériau. , et quand vous mettez tout cela ensemble, vous avez juste une richesse de détails quantitatifs sur ce qui se passe qu’une seule technique ne fournirait pas à elle seule. »
Étant donné que les nouvelles découvertes fournissent des indications sur le degré de déformation nécessaire, la vitesse à laquelle cette déformation se produit et les températures à utiliser pour un effet maximal pour des métaux ou des méthodes de traitement spécifiques, elles peuvent être directement appliquées immédiatement à la production de métaux dans le monde réel. , dit Tiamiyu. Les graphiques qu’ils ont produits à partir du travail expérimental devraient être généralement applicables. « Ce ne sont pas seulement des lignes hypothétiques », déclare Tiamiyu. Pour n’importe quel métal ou alliage donné, « si vous essayez de déterminer si des nanograins vont se former, si vous avez les paramètres, insérez-les simplement » dans les formules qu’ils ont développées, et les résultats devraient montrer quel type de structure de grain peut être attendu à partir de taux d’impact donnés et de températures données.
Ahmed A. Tiamiyu et al, recristallisation dynamique assistée par nanojumelage à des contraintes et des taux de contrainte élevés, Matériaux naturels (2022). DOI : 10.1038/s41563-022-01250-0