Voir les éléments légers dans un joint de grain : révéler les propriétés des matériaux jusqu'à l'échelle atomique

1 août 2023

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par Société Max Planck

Pour développer des matériaux avancés, une compréhension approfondie de leur microstructure et de leur chimie sous-jacentes est nécessaire. Il est crucial de savoir comment les défauts influencent l'interaction entre la microstructure et la composition chimique, car ils constituent la porte d'entrée de la défaillance d'un matériau due à la corrosion ou à l'initiation de fissures.

Les scientifiques du Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) ont maintenant développé un flux de travail et un code pour analyser et interpréter les défauts bidimensionnels, appelés 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 Nature Communications.

"Les deux principaux défis liés à l'analyse des joints de grains jusqu'à leur échelle atomique sont, premièrement, l'énorme quantité de paramètres qui doivent être contrôlés afin de comprendre l'effet de chaque paramètre sur les propriétés du matériau. Et deuxièmement, la difficulté d'observer les éléments légers avec microscopie électronique à transmission", explique le Dr Xuyang Zhou, premier auteur de la publication et chef adjoint du groupe Atom Probe Tomography au MPIE.

"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 des plans de joints de grains changeants. De cette façon, nous avons pu contrôler les paramètres interférents. Pour interpréter les données , j'ai développé un code qui permet de voir des éléments légers comme le bore et le carbone dans les joints de grains de fer. C'est en fait la première fois que nous pouvons observer des éléments légers dans les joints de grains de métaux lourds, comme le fer.

Les chercheurs ont montré que même la simple inclinaison du plan limite des grains avec une désorientation identique a un impact sur la composition chimique et la disposition atomique de la microstructure et rend le matériau plus ou moins sujet à la défaillance.

"Jusqu'à présent, il n'était pas possible d'imager les éléments légers et lourds dans les motifs atomiques des joints de grains de l'acier. En particulier, l'espace ouvert dans les structures atomiques ordonnées, appelés sites interstitiels, détermine la solubilité des éléments légers dans un joint de grains. Cela permettra à l'avenir de concevoir et de passiver de manière ciblée l'état chimique des joints de grains afin de les libérer de leur rôle de portes 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 Nano-/Micromécanique des Matériaux.

Les scientifiques ont également utilisé l’apprentissage automatique pour analyser la composition des joints de grains dans les données obtenues grâce à la tomographie par sonde atomique. La tomographie montre comment les différents éléments sont répartis dans le joint de grain, offrant la possibilité de générer une analyse statistique de la corrélation structure-composition.

L'équipe de chercheurs travaille désormais en collaboration avec le département Computational Materials Design du MPIE pour utiliser le code développé et les données expérimentales pour simuler le comportement des éléments légers comme le bore, le carbone ou l'hydrogène dans les matériaux.

De plus, Zhou et ses collègues développent des installations pour des tests de chauffage et de traction in situ 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.