À l’échelle micrométrique, les propriétés de déformation des métaux changent profondément : le comportement lisse et continu des matériaux en vrac devient souvent saccadé en raison de déformations aléatoires de différentes tailles. Crédit : Péter Dusán Ispánovity et Dávid Ugi
À l’échelle micrométrique, les propriétés de déformation des métaux changent profondément : le comportement lisse et continu des matériaux en vrac devient souvent saccadé en raison d’éclatements de déformation aléatoires de différentes tailles. La raison de ce phénomène est la redistribution intermittente complexe des dislocations du réseau (qui sont des défauts cristallins linéaires responsables de la déformation irréversible des matériaux cristallins) due à une charge externe, qui est également à l’origine de la formation d’une surface irrégulière en forme de marche lors de la déformation.
Pour étudier ce phénomène plus en détail, des groupes de recherche de l’Université Eötvös Loránd de Budapest, de l’Université Charles de Prague et de l’École des Mines de Saint-Étienne ont développé une plate-forme micromécanique très sensible, où de faibles ondes élastiques émises par le spécimen peuvent être détectées pendant la déformation de piliers à l’échelle du micron. Des expériences de compression réalisées sur de tels micropiliers monocristallins en zinc dans un microscope électronique à balayage ont confirmé que ces signaux dits acoustiques se produisent effectivement lors des déformations. Cette expérience nous a donc permis, pour la première fois, d’entendre pratiquement le “son des dislocations”.
La raison de ce phénomène est la redistribution intermittente complexe des dislocations du réseau (qui sont des défauts cristallins linéaires responsables de la déformation irréversible des matériaux cristallins) due à une charge externe, qui est également à l’origine de la formation de la surface irrégulière en forme de marche lors de la déformation. Crédit : Péter Dusán Ispánovity et Dávid Ugi
Les signaux acoustiques sont échantillonnés à une fréquence de 2,5 MHz, ils fournissent donc des informations extrêmement détaillées sur la dynamique des dislocations. Les analyses statistiques approfondies effectuées par les chercheurs ont révélé que les décharges présentent une structure à deux niveaux : ce qui était jusqu’à présent considéré comme un seul glissement plastique est en fait le résultat de plusieurs événements corrélés sur une échelle de temps de μs-ms.
Le résultat le plus surprenant des expériences est que ce processus, malgré les différences fondamentales entre les mécanismes de déformation des métaux et ceux des plaques tectoniques, s’est avéré être complètement analogue aux tremblements de terre. Les signaux acoustiques émis par les pièces d’essai suivaient des lois empiriques fondamentales établies pour les chocs principaux et les répliques en sismologie, telles que les lois de Gutenberg-Richter et d’Omori.
Compression d’un micropilier en zinc. Les signaux acoustiques autrement ultrasoniques ont été transformés dans le domaine audible pour mieux illustrer la corrélation entre les événements acoustiques et les décharges.
“Ces résultats devraient avoir un fort impact technologique puisque, pour la première fois, nous avons pu observer un lien direct entre les signaux acoustiques et les événements plastiques qui les ont émis”, a déclaré Péter Dusán Ispánovity, professeur adjoint à l’université Eövös Loránt et chef du groupe de recherche en micromécanique et modélisation multi-échelle. “Comme la mesure de l’émission acoustique est une méthode fréquente pour surveiller et localiser la défaillance des matériaux dans les applications technologiques, en fournissant des informations fondamentalement nouvelles sur la physique sous-jacente, nos résultats devraient contribuer au développement de cette technique.”
Le groupe de recherche. Crédit : ELTE
Dávid Ugi, doctorant dans le groupe d’Ispánovity et auteur correspondant de la publication, ajoute : “Ces expériences sont assez complexes, car il faut coupler l’outil de manipulation d’une précision nanométrique avec le capteur acoustique extrêmement sensible, le tout dans la chambre à vide d’un microscope électronique à balayage. De telles mesures, à notre connaissance, ne peuvent pour l’instant être réalisées que dans notre laboratoire”, ajoute le jeune chercheur.
La méthodologie peut également être utilisée pour étudier d’autres types de mécanismes de déformation, tels que le jumelage ou la fracture. Nature CommunicationsOn s’attend à ce que les résultats, publiés dans Nature Communications, ouvrent de nouvelles perspectives dans la recherche sur les propriétés micromécaniques des matériaux.
Référence : “Dislocation avalanches are like earthquakes on the micron scale” par Péter Dusán Ispánovity, Dávid Ugi, Gábor Péterffy, Michal Knapek, Szilvia Kalácska, Dániel Tüzes, ZoltánDankházi, Kristián Máthis, František Chmelík et István Groma, 13 avril 2022,Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-29044-7
