Un mécanisme complexe de plasticité observé dans les métaux

En tant que matériaux cristallins, les métaux sont composés de domaines cristallins séparés par des interfaces, les joints de grains. La plupart du temps, la déformation plastique des métaux implique, pour éviter la rupture, la nucléation et la propagation à l’intérieur des grains de défauts linéaires nanométriques, les dislocations. Depuis une vingtaine d’années et la possibilité d’élaborer des matériaux à très petits grains (de l’ordre du micron et en dessous), de nouveaux mécanismes de plasticité ont été découverts. En raison de la difficulté à créer des dislocations, la plasticité se développe dans ces matériaux préférentiellement aux joints de grains, en particulier par un mécanisme couplant déformation et migration des joints. Bien que ce mécanisme ait été décrit à la fois expérimentalement et théoriquement à l’échelle d’une interface, son importance à l’échelle collective d’un grand nombre de grains était encore peu documenté.

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires CNRS suivants :

• Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES, CNRS)

• Physique et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Énergétique (Institut P', CNRS)

Pour atteindre une description pertinente de cette échelle, une équipe internationale de chercheurs a combiné des essais mécaniques en température, des mesures de déformation et des cartographies montrant le déplacement des joints de grains dans de l’aluminium à grains ultrafins. Ces mesures s’appuient en particulier sur des observations à la fois en microscopie à force atomique et en microscopie électronique. Elles montrent que la déformation provoquée par le mouvement des joints se déroule de façon prépondérante, quelle que soit la nature de l’interface, mais est bien moins efficace que les modèles théoriques ne le prédisaient. Ceux-ci ne prenaient en effet pas assez en compte des défauts particuliers, appelés disconnections, qui se déplacent le long des joints. Or, les observations expérimentales suggèrent que ces disconnections sont plus nombreuses que prévu et opèrent probablement de concert avec la diffusion à haute température, contrairement à ce qui était supposé auparavant.

Ce travail pourrait expliquer certaines déformations post traitements thermiques observées sur des pièces utilisées dans l’industrie et donc aider à pallier ces défauts de production des métaux et alliages.  Il invite aussi et surtout à changer de paradigme sur les joints de grain dans les métaux, qui ne devraient plus être considérés comme des défauts élémentaires, mais comme des réseaux cristallins à part entière, portant leurs propres défauts susceptibles d’influencer à leur niveau le comportement du joint. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature.