Lorsque l'acier, l'aluminium et d'autres métaux ou alliages largement utilisés passent par des processus industriels tels que l'usinage, le laminage et le forgeage, leur structure à l'échelle nanométrique subit des changements spectaculaires. Les processus de production extrêmement rapides rendent difficile l'analyse de ces changements en raison de la vitesse et de la petite échelle auxquelles ils se produisent, mais les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis ont maintenant réussi à faire exactement cela, en identifiant ce se produit lorsque des grains de cristal se forment dans le métal sous une déformation extrême à l'échelle nanométrique. Leurs travaux pourraient contribuer au développement de structures métalliques dotées de propriétés améliorées, telles que la dureté et la ténacité.
En général, plus ces grains de cristal sont petits, plus le métal sera dur et résistant. Les métallurgistes cherchent souvent à réduire la taille des grains en soumettant les métaux à des contraintes. L'une des principales techniques qu'ils utilisent pour ce faire est la recristallisation, dans laquelle le métal est déformé à haute tension et chauffé pour produire des cristaux plus fins. Dans des cas extrêmes, ce processus peut produire des grains aux dimensions nanométriques.
« Pas seulement une curiosité de laboratoire »
L'équipe du MIT dirigée par Christopher Schuh a maintenant déterminé comment se déroule ce processus à grande vitesse et à petite échelle. Ils l'ont fait en utilisant un laser pour lancer des microparticules métalliques de cuivre sur un métal à des vitesses supersoniques et en observant ce qui s'est passé lorsque les particules l'ont frappé. Schuh souligne que ces vitesses élevées ne sont « pas seulement une curiosité de laboratoire », avec des processus industriels tels que l'usinage à grande vitesse ; broyage à haute énergie de poudre métallique; et une méthode de revêtement appelée pulvérisation à froid, toutes se déroulant à des taux similaires.
« Nous avons essayé de comprendre ce processus de recristallisation à ces taux très extrêmes », explique-t-il. "Parce que les taux sont si élevés, personne n'a vraiment pu creuser là-dedans et examiner systématiquement ce processus auparavant."
Dans leurs expériences, les chercheurs ont fait varier la vitesse et la force des impacts, puis ont étudié les sites impactés à l'aide de méthodes avancées de microscopie à l'échelle nanométrique telles que la diffraction par rétrodiffusion d'électrons et la microscopie électronique à transmission à balayage. Cette approche leur a permis d'analyser les effets de l'augmentation des niveaux de contrainte.
Ils ont découvert que les impacts affinaient considérablement la structure du métal, créant des grains de cristal de quelques nanomètres de diamètre. Ils ont également observé un processus de recristallisation qui a été aidé par le "nanotwinning" - une variation d'un phénomène bien connu dans les métaux appelé maclage, dans lequel un type spécifique de défaut se forme lorsqu'une partie de la structure cristalline change d'orientation.
Schuh et ses collègues ont observé que plus les taux d'impact étaient élevés, plus les nanojumelages étaient fréquents. Cela conduit à des grains de plus en plus petits à mesure que les «jumeaux» à l'échelle nanométrique se divisent en nouveaux grains de cristal, disent-ils. Le processus pourrait augmenter la résistance du métal d'environ un facteur 10, ce que Schuh décrit comme non négligeable.
Une meilleure compréhension mécaniste
Schuh décrit le résultat de l'équipe comme une extension d'un effet connu appelé durcissement qui provient des coups de marteau dans le forgeage ordinaire des métaux. "Notre effet est une sorte de phénomène d'hyper-forgeage", dit-il. Bien que le résultat ait un sens dans ce contexte, Schuh raconte Monde de la physique que cela pourrait conduire à une meilleure compréhension mécaniste de la formation des structures métalliques, ce qui permettrait aux ingénieurs de concevoir plus facilement les conditions de traitement pour contrôler ces structures. "Les très petites structures à l'échelle nanométrique que nous avons observées dans nos travaux sont intéressantes pour leur extrême résistance, par exemple", dit-il.
Pourquoi le fait-il progressivement pour maximiser la force
Selon un membre de l'équipe Ahmed Tiamiyu, les nouvelles découvertes pourraient être directement appliquées immédiatement à la production de métaux dans le monde réel. "Les graphiques produits à partir du travail expérimental devraient être généralement applicables", dit-il. "Ce ne sont pas seulement des lignes hypothétiques."
Dans l'étude publiée dans Nature Materials, les chercheurs se sont concentrés sur la compréhension de l'évolution de la structure d'un métal lors d'un impact. Il serait intéressant d'étudier d'autres caractéristiques, comme l'évolution de la température autour d'un site d'impact, disent-ils. "Nous menons actuellement des travaux dans cette direction", révèle Schuh.
