Voir les éléments légers dans un joint de grain : une nouvelle étape dans l'élucidation des propriétés des matériaux jusqu'à l'échelle atomique
Des scientifiques du Max-Planck-Institut für Eisenforschung développent un flux de travail et un code pour caractériser les défauts dans les aciers
Pour développer des matériaux avancés, il est nécessaire de comprendre en profondeur leur microstructure et leur chimie sous-jacentes. Il est essentiel de savoir comment les défauts influencent l'interaction entre la microstructure et la composition chimique, car ils sont la porte d'entrée de la défaillance du matériau due à la corrosion ou à l'apparition de fissures. Des scientifiques du Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) ont mis au point un flux de travail et un code pour analyser et interpréter les défauts bidimensionnels, connus sous le nom de joints de grains, dans les aciers. Ils ont identifié que certains motifs atomiques ordonnés, le plus petit niveau hiérarchique structurel des matériaux, régissent les propriétés chimiques les plus importantes des joints de grains. L'ingénierie de ces motifs atomiques ouvre la voie à des matériaux plus durables et sur mesure. Les chercheurs du MPIE ont publié leurs résultats dans la revue Nature Communications.
Les motifs atomiques régissent les propriétés chimiques des joints de grains
"Les deux principaux défis de l'analyse des joints de grains à l'échelle atomique sont, d'une part, l'énorme quantité de paramètres qui doivent être contrôlés afin de comprendre l'effet de chaque paramètre sur les propriétés du matériau et, d'autre part, la difficulté d'observer les propriétés chimiques des joints de grains à l'échelle atomique. Et deuxièmement, la difficulté d'observer les éléments légers avec la microscopie électronique à transmission. 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 en changeant les plans de limite de grain. De cette manière, nous avons pu contrôler les paramètres d'interférence. Pour interpréter les données, j'ai développé un code qui permet de voir les 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", explique Xuyang Zhou, premier auteur de la publication et chef adjoint du groupe "Tomographie par sonde atomique" au MPIE. Les chercheurs ont montré que la simple inclinaison du plan du joint de grain 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 susceptible de se rompre.
"Jusqu'à présent, il n'était pas possible d'obtenir une image des 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, appelé sites interstitiels, détermine la solubilité des éléments légers dans un joint de grain. Cela permettra à l'avenir de concevoir de manière ciblée et de passivation l'état chimique des joints de grains afin de les libérer de leur rôle de porte d'entrée pour la corrosion, la fragilisation par l'hydrogène ou les défaillances mécaniques", explique le professeur Gerhard Dehm, co-auteur de la publication et directeur du département MPIE "Structure et nanomécanique/micro-mécanique 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 les différents éléments sont distribués dans le joint de grain, ce qui permet de générer une analyse statistique de la corrélation structure-composition.
Prochaines étapes : Simulations et essais in situ
L'équipe de chercheurs collabore à présent avec le département "Computational Materials Design" du MPIE afin d'utiliser le code développé et les données expérimentales pour simuler le comportement d'éléments légers tels que le bore, le carbone ou l'hydrogène dans les matériaux. En outre, Zhou et ses collègues mettent au point des installations pour le chauffage in situ et les essais de traction au microscope électronique 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 permettant de comprendre la nature chimique des joints de grains sur la base de leurs propriétés structurelles à l'échelle atomique.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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