Correlations entre structure à l'échelle atomique et ductilité des verres métalliques massifs (VMM)- Simulation et Expériences – VMM Ductile

Dans les années 1990, des équipes japonaises et américaines ont découvert des compositions d'alliage vitrifiables sous forme de lingots massifs. Ces Verres Métalliques Massifs (VMM) présentent une résistance mécanique exceptionnelle associée à un comportement élastique unique selon les indices de performance d'Ashby. Les applications commerciales à l'heure actuelle ont pour cibles des produits de haute technologie, ce qui les rend particulièrement bien adaptés à l'infrastructure industrielle de pays avancés comme la France. L'équipe porteuse du projet a accumulé une expertise très forte sur la synthèse et la déformation des VMM tant grâce à un réseau européen de type Marie Curie de 11 équipes. Le responsable du présent projet est coordinateur de ce réseau. Si le mécanisme principal de déformation plastique dans les matériaux polycristallisés est relié au mouvement des dislocations, elle est localisée dans des bandes de cisaillement dans le cas des VMM donnant lieu à une déformation hétérogène. Sous l'action d'une contrainte, des petites régions de l'ordre du nanomètre, appelées encore 'Zones de cisaillement' (STZ; voir Schuh, Nature Materials 2003) se réorganisent pour permettre une certaine mobilité atomique. Quand la contrainte augmente, les STZ coalescent pour former une bande de cisaillement qui conduit à la rupture. La forte déformation dans les bandes de cisaillement détruit l'arrangement atomique caractéristique des verres métalliques suivant les idées de Miracle et Sheng (Miracle, Nature Materials 2004 et Sheng et al, Nature, 2006) et décrits par notre équipe (Yavari, Nature, 2006 et Yavari, Nature Materials. 2005). La destruction de l'ordre chimique et topologique conduit à une augmentation du volume libre (Yavari et al Acta Materialia, 2005) et à un échauffement local important du à la dissipation de l'énergie mécanique (Lewandowski and Greer, Nature Materials 2006) et provoque une chute de la viscosité qui facilitent la continuation de la déformation dans la matière déjà déformée et mène généralement à la rupture sans déformation plastique macroscopique. Cependant pour certaines compositions chimiques de VMM, sous compression, des bandes de cisaillement se multiplient et génèrent un domaine de déformation plastique important. Si les simulations et les expériences montrent la présence de bandes élémentaires de cisaillement de l'ordre de 10 à 20 nm qui donnent lieu à des déformations locales très rapides, le mécanisme de création de marches de 1 à 2 micron et qui rendent possible la ductilité n'est pas compris. Nous avons démontré que dans le cas des verres métalliques ductiles, le caractère ductile provient de la formation de nanocristaux dans les bandes de cisaillement conduisant à un mécanisme de durcissement et à une délocalisation de la déformation. La thermodynamiques et cinétiques de la formation de ces nanocristaux n'ont pas été établies. Nous avançons deux hypothèses : (i) la présence d'ordre atomique à moyenne distance (MRO), rémanent de la phase liquide surfondue est le critère d'une forte stabilité de ces verres. La destruction de cet ordre par déformation est nécessaire pour une cristallisation très rapides. (ii) la cristallographie des nanocristallites doit être compatible avec la composition chimique pour éviter la nécessité de diffusion atomique lors de leur nucléation et croissance. Un objectif majeur du projet est de considérer le rôle joué par le MRO lors de la formation des bandes de cisaillement à partir des zones de cisaillement puisque zones de cisaillement et MRO sont à la même échelle ( 1.5 nm). Un autre objectif majeur est de simuler la déformation dans ces VMM en présence ou non des nanocristallites afin de mieux comprendre leur rôle lié au caractère ductile de ces matériaux. Pour réaliser ces objectifs, nous mettrons en oeuvre la préparation et les tests mécaniques de ces VMM, en s'appuyant sur notre savoir faire et notre expertise acquis dans le cadre de projets européens coordonn...