Les humains ont commencé à créer des alliages il y a environ 5 000 ans en combinant le cuivre et l'étain pour produire du bronze. Depuis lors, l'alliage a progressé de façon spectaculaire, explique Moneesh Upmanyu, professeur de génie mécanique et industriel à la Northeastern University.
« Maintenant, c'est définitivement une science (et) moins un art parce que nous avons le tableau périodique et nous connaissons les propriétés de tous ces éléments que nous mélangeons », dit-il.
Le Journal of Applied Physics Récemment sélectionné le nouveau document de recherche d'Upmanyu sur la conception d'alliages comme choix de l'éditeur.
L'article présente un nouveau modèle de calcul qui offre des stratégies de conception en alliage de matériaux réels en quelques secondes. Par rapport aux expériences de laboratoire traditionnelles et aux approches basées sur l'IA, le modèle offre une plus grande vitesse, une rentabilité et une précision.
Les travaux ont été menés en collaboration avec Changjian Wang, un ancien étudiant diplômé du Nord-Est.
Les outils de calcul antérieurs – y compris ceux basés sur l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle – n'ont pas réussi à tenir compte d'un facteur critique, dit Upmanyu, des matériaux cristallins réels, tels que les métaux et la céramique, contiennent des défauts.
Dans la science des matériaux, les défauts sont des irrégularités ou des imperfections dans la structure atomique d'un cristal. Bien qu'ils puissent ressembler à des défauts, les défauts sont souvent introduits intentionnellement pour améliorer les propriétés telles que la force, la conductivité et la résistance à la corrosion.
Le nouveau modèle prend en compte une classe importante de défauts matériels (joints de grains) et la tendance des solutés mixtes à rassembler – ou à séparer – les imperfections structurelles pendant la formation d'alliages.
« Vous avez affaire à ces matériaux défectueux par défaut, et toutes ces techniques de conception en alliage l'ignorent », explique Upmanyu. « Ils ne peuvent tout simplement pas prendre en compte cela parce que c'est un système très complexe avec tous ces défauts en place. »
Un exemple bien connu d'un tel défaut matériel qui a été largement étudié au cours du siècle dernier, dit Upmanyu, est une luxation. Il se produit lorsqu'un plan atomique entier manque à la structure d'un cristal. Malgré cette imperfection, les dislocations permettent la déformation plastique d'un matériau sans se casser en laissant le défaut se déplacer dans le réseau cristallin.
Lorsque des alliages sont formés en mélangeant avec des solutés ou des substances dissous, les luxations agissent comme des emplacements préférés pour les solutés. Les solutés s'attachent aux fils de dislocation comme un essaim d'abeilles, ce qui rend plus difficile pour les dislocations de se déplacer. En gérant ces défauts et ces comportements des solutés dans les alliages, dit Upmanyu, les humains peuvent fabriquer des matériaux plus forts et rentables.
Ses recherches se concentrent sur un autre défaut clé: les limites des grains. Ceux-ci se produisent dans les matériaux polycristallins, tels que le cuivre – dans les interfaces où les grains de cristal orientés différemment se rencontrent. Contrairement aux dislocations, ces défauts se déroulent le long des surfaces dans le matériau.
« Pour un cristal assez petit pour tenir entre vos doigts, les alliages conventionnels avec des grains de taille micron ont une zone de limite de grains aussi grande qu'un terrain de basket », explique Upmanyu.
Il s'agit d'un vaste domaine pour les solutés à s'attacher, dit-il, qui affecte toute la stratégie de mélange lorsque des alliages sont fabriqués ainsi que leurs propriétés mécaniques, électriques et magnétiques.
Les ingénieurs de matériaux manipulent souvent ces limites pour contrôler, par exemple, la direction de la conduction de l'électricité, en orientant les grains dans les cristaux le long d'une direction.
« Le mouvement des joints de grains avec les solutés est complètement ignoré dans la théorie de l'alliage général actuel », explique Upmanyu.
Son modèle examine comment les solutés affectent ce mouvement.
« Si je regarde au microscope à température finie (température absolue non nulle qui affecte l'état d'énergie d'un système), ces joints de grains et ces défauts ne sont pas statiques, ils dansent, ils se déplacent », explique Upmanyu. « Et nous exploitons ces fluctuations des joints de grains avec le soluté qui leur est séparé. »
Le modèle suit la quantité et lorsque le soluté se sépare, et comment il a un impact sur le mouvement des joints de grains.
« Ce qui est une première étape vers la compréhension de la façon dont les propriétés du matériau sont modifiées par ces solutés aux joints de grains », dit-il.
Le papier se concentre sur l'acier, un alliage de fer et de carbone. Cependant, Upmanyu note que le modèle s'applique largement – pas seulement aux métaux mais aussi aux céramiques comme les oxydes métalliques.
« Nous pensons que c'est assez général car il est basé sur les fluctuations des interfaces et des joints de grains. Toutes ces interfaces fluctuent à température finie », dit-il. « Il y a toujours une ségrégation de solutés. C'est universel. »
Pour refléter cette portée plus large, les chercheurs utilisent le terme «interface» plutôt que la «limite des grains» pour inclure des matériaux non cristallins.
Le modèle simule de manière réaliste comment les solutés interagissent avec les deux défauts et les uns des autres.
« Si je prends un instantané de ce que nous avons réellement simulé et que je l'utilise comme entrée pour extraire les propriétés alliages, c'est identique à ce que vous voyez dans une expérience », explique Upmanyu.
Le modèle fonctionne avec deux matériaux de base ou plus et peut être étendu pour prédire les propriétés thermiques, électriques et magnétiques des alliages résultants.
Un autre avantage: il fournit des prédictions précises en utilisant des temps de simulation très courts.
« Nous examinons une enquête informatique sur cette fluctuation par rapport aux nanosecondes », explique Upmanyu. « Vous prenez un très bref instant sur la façon dont cette chose fluctue, et en provenant du comportement modifié en fonction de cela. »
