Comment les matériaux se comporteront-ils dans certaines conditions ? Et comment rendre les matériaux plus robustes ? Ces deux questions sont cruciales pour concevoir des matériaux avancés pour des composants et des applications structurelles et fonctionnelles. Un examen attentif des structures atomiques sous-jacentes et en particulier de leurs défauts est nécessaire pour comprendre et prédire le comportement des matériaux.
La conductivité électrique, la résistance mécanique et la résistance à la rupture sont par exemple influencées par les joints de grains. On sait que les joints de grains, bien qu’ils soient des défauts, ont leurs propres structures atomiques ordonnées, qui peuvent influencer ou même dominer les propriétés des matériaux. Cependant, leur observation expérimentale nécessite une imagerie à résolution atomique précise et chronophage et se limite à l’investigation de cas particuliers et individuels.
Mais ces cas sont-ils généralisables à tous les métaux ? Une équipe de chercheurs du Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) a utilisé des simulations informatiques pour montrer que les mêmes arrangements atomiques se produisent dans tout un groupe de métaux, à savoir les métaux fcc, prouvant ainsi que les « cas particuliers » étudiés dans les expériences sont pas vraiment exotique, mais commun.
Cela signifie que de nombreuses découvertes antérieures sont probablement universelles et peuvent être adaptées rapidement à différents matériaux, ce qui permet d’économiser du temps et des coûts d’expériences répétées. Les chercheurs ont maintenant publié leurs résultats dans la revue Examen physique Boù leur article a été sélectionné comme choix de l’éditeur.
Règles d’occurrence des structures atomiques étudiées par simulations
Les propriétés des matériaux sont principalement influencées par la microstructure sous-jacente et ses défauts. En manipulant ces défauts, ce que l’on appelle « l’ingénierie des défauts », les scientifiques pourront améliorer les propriétés globales d’un matériau.
La frontière de la recherche s’est étendue de la compréhension de ces défauts à l’échelle du micron vers la compréhension de la structure aux plus petites échelles, à savoir l’ordre des atomes à l’intérieur des différents défauts. Cela rend les expériences difficiles. Les structures atomiques peuvent être résolues à des résolutions très élevées, mais la taille des échantillons devient alors très petite et le nombre d’échantillons est limité.
Alternativement, des échantillons macroscopiques sont utilisés, mais la structure des défauts à l’intérieur de ceux-ci reste inconnue. Si, par exemple, des phénomènes intéressants peuvent être détectés à un seul joint de grains, comment savoir si tous les joints de grains d’un échantillon présentent une structure ou un comportement similaire ?
« C’est le rôle de nos simulations. Nous savons déjà par des observations expérimentales que certains joints de grains dans certains matériaux présentent certaines structures atomiques ordonnées qui sont soit stables, soit métastables. Notre question était de savoir s’il existe une règle pour l’apparition de ces structures atomiques et leur propriétés thermodynamiques de tous les métaux », déclare le Dr Tobias Brink, chef du groupe Modélisation atomique des interfaces matérielles et premier auteur de la publication.
L’équipe de chercheurs a utilisé des simulations atomistiques avec des potentiels interatomiques classiques dans une approche à haut débit sur les métaux fcc nickel, cuivre, palladium, argent, or, aluminium et plomb. Ils ont trouvé deux familles de structures de joints de grains pour des géométries spéciales de joints de grains.
Ces deux familles sont présentes dans tous les métaux fcc et peuvent être différenciées par leurs densités et leurs arrangements atomiques. Les scientifiques ont également pu montrer que ces structures apparaissent même en utilisant des modèles fortement simplifiés qui n’incluent pas de physique de liaison réaliste, indiquant que les structures sont le résultat de la géométrie des arrangements atomiques. La stabilité thermodynamique reste cependant spécifique au matériau.
Les chercheurs visent maintenant à étendre leurs découvertes aux alliages plutôt qu’aux métaux purs. Cela rend les simulations et les expériences plus complexes, mais constitue en même temps une étape nécessaire vers la compréhension et le réglage des matériaux dans des composants réels, qui sont souvent adaptés à leur application par alliage.
Plus d’information:
Tobias Brink et al, Universalité des phases aux joints de grains dans les métaux fcc : étude de cas sur l’angle élevé [111] joints de grains à inclinaison symétrique, Examen physique B (2023). DOI : 10.1103/PhysRevB.107.054103