Suivi en temps réel du mouvement atomique entre les grains de cristal dans les métaux

Les matériaux métalliques utilisés en ingénierie doivent être solides et ductiles, capables de supporter des charges mécaniques élevées tout en résistant à la déformation sans se casser. Cependant, le fait qu’un matériau soit faible ou résistant, ductile ou cassant n’est pas simplement déterminé par les grains de cristal qui composent le matériau, mais plutôt par ce qui se passe dans l’espace entre eux connu sous le nom de joint de grain. Malgré des décennies d’investigation, les processus de déformation au niveau atomique à la limite des grains restent insaisissables, de même que le secret pour fabriquer de nouveaux et meilleurs matériaux.

À l’aide d’une microscopie avancée couplée à de nouvelles simulations informatiques qui suivent le mouvement atomique, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont effectué des observations en temps réel au niveau atomique de la déformation des joints de grains dans des matériaux métalliques à grains multiples appelés matériaux polycristallins. L’équipe a observé des processus auparavant non reconnus qui affectent les propriétés des matériaux, tels que des atomes qui sautent d’un plan à un autre à travers un joint de grain. Leurs travaux, publiés dans La science ce mois de mars, repousse les limites des sondages au niveau atomique et permet une meilleure compréhension de la façon dont les matériaux polycristallins se déforment. Leur travail ouvre de nouvelles voies pour la conception plus intelligente de nouveaux matériaux pour des applications d’ingénierie extrêmes.

« Il est étonnant d’observer les mouvements pas à pas des atomes, puis d’utiliser ces informations pour déchiffrer le processus de glissement dynamique d’un joint de grain à structure complexe », a déclaré Ting Zhu, professeur à la George W. Woodruff School of Mechanical. Engineering et l’un des principaux auteurs de l’étude, qui comprenait des collaborateurs de l’Université de technologie de Pékin.

Pour développer de nouveaux et meilleurs matériaux polycristallins, il est essentiel de comprendre comment ils se déforment au niveau atomique. L’équipe a cherché à obtenir une observation en temps réel du glissement aux joints de grains, un mode de déformation bien connu qui joue un rôle important dans la régulation de la résistance et de la ductilité des matériaux polycristallins. Ils ont choisi de travailler avec du platine parce que sa structure cristalline est la même que celle d’autres matériaux polycristallins largement utilisés comme l’acier, le cuivre et l’aluminium. En utilisant le platine, leurs résultats et leurs idées seraient généralement applicables à un large éventail de matériaux.

Une combinaison de nouvelles méthodes

Plusieurs innovations clés ont été nécessaires pour mener à bien l’expérience. L’équipe a utilisé un microscope électronique à transmission (TEM) pour capturer des images fortement agrandies d’atomes aux joints de grains. Le TEM envoie un faisceau d’électrons à travers un spécimen de platine semblable à un film, traité par l’équipe pour être suffisamment fin pour la transmission des électrons. Ils ont également développé un petit appareil de test millimétrique qui applique une force mécanique à un spécimen et est fixé au microscope. Le TEM et l’appareil fonctionnent en tandem pour créer des images au niveau atomique des joints de grains pendant la déformation.

Pour observer le glissement du joint de grain à l’échelle atomique plus clairement qu’en visualisant uniquement les images TEM, les chercheurs ont développé une méthode automatisée de suivi des atomes. Cette méthode étiquette automatiquement chaque atome dans chaque image TEM, puis les corrèle entre les images, permettant le suivi de tous les atomes et de leur mouvement pendant le glissement des joints de grains. Enfin, l’équipe a effectué des simulations informatiques du glissement des joints de grains à l’aide de structures atomiques extraites des images TEM. Le glissement simulé a aidé l’équipe à analyser et interpréter les événements qui se sont produits à l’échelle atomique. En combinant ces méthodes, ils ont pu visualiser en temps réel comment des atomes individuels se déplacent à un joint de grain déformant.

Résultats

Alors qu’il était connu que les joints de grains glissent lors de la déformation des matériaux polycristallins, l’imagerie et l’analyse en temps réel par Zhu et son équipe ont révélé une riche variété de processus atomiques, dont certains étaient jusqu’alors inconnus.

Ils ont remarqué que, lors de la déformation, deux grains voisins glissaient l’un contre l’autre et provoquaient le transfert d’atomes d’un côté du plan joint de grain vers l’autre. Ce processus, connu sous le nom de transfert de plan atomique, n’était pas reconnu auparavant. Ils ont également observé que les processus atomiques locaux peuvent s’adapter efficacement aux atomes transférés en ajustant les structures des joints de grains, ce qui peut être bénéfique pour obtenir une ductilité plus élevée. L’analyse d’images et les simulations informatiques ont montré que les charges mécaniques étaient élevées pendant les processus atomiques, et que cela facilitait le transfert d’atomes et de plans atomiques. Leurs découvertes suggèrent que l’ingénierie des joints de grains des polycristaux à grains fins est une stratégie importante pour rendre les matériaux plus résistants et plus ductiles.

Regarder vers l’avant

La capacité démontrée de Zhu et de son équipe à observer, suivre et comprendre la déformation des joints de grains à l’échelle atomique ouvre davantage de possibilités de recherche pour approfondir les interfaces et les mécanismes de défaillance dans les matériaux polycristallins. Une meilleure compréhension de la déformation au niveau atomique peut éclairer la façon dont les matériaux évoluent au cours de l’ingénierie des joints de grains, une nécessité pour créer des combinaisons de résistance et de ductilité exceptionnelles.

« Nous étendons maintenant notre approche pour visualiser la déformation à l’échelle atomique à des températures et des taux de déformation plus élevés, à la recherche de meilleurs matériaux pour des applications extrêmes », a déclaré Xiaodong Han, un autre auteur principal de l’article et professeur à l’Université de technologie de Pékin.

Zhu pense que les résultats riches en données de leurs observations et de leur imagerie au niveau atomique en temps réel pourraient être intégrés à l’apprentissage automatique pour une enquête plus approfondie sur les déformations des matériaux, ce qui pourrait accélérer la découverte et le développement de matériaux plus rapidement qu’on ne le pensait auparavant.

« Notre travail montre l’importance d’utiliser la microscopie à très haute résolution pour comprendre le comportement des matériaux au niveau atomique. Cette avancée permettra aux chercheurs d’adapter les matériaux pour des propriétés optimales en utilisant la conception atomique », a déclaré Zhu.