Comment réduire les instabilités plastiques en métallurgie sub-micronique – SUMMIT

La miniaturisation associée au développement des nanotechnologies nécessite de repenser la mécanique des matériaux aux échelles micro- à nano-métriques. A ces échelles, la plasticité des métaux change radicalement: seuils de plasticité anormalement élevés mais associés à une forte variabilité, toutefois contrecarrés par des instabilités plastiques intermittentes compromettant le profilage de pièces mécaniques ou leur stabilité en service. Malgré de nombreuses observations ayant montré que l’introduction d’un désordre microstructural (alliages) pouvait supprimer ces fluctuations plastiques, cet effet n’a pas encore été quantifié en termes d’instabilités plastiques. En conséquence, le cadre théorique faisant un lien entre les caractéristiques du matériau et ces fluctuations mécaniques n’a pas été encore établi. Ceci impose de sévères restrictions sur l’utilisation pratique de ces méthodes, particulièrement pour les systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS).
Combinant les expertises de l’équipe chinoise en termes d’élaboration des matériaux et de caractérisation micro-mécanique, et de l’équipe française en modélisation théorique et numérique, nous proposons de construire une approche quantitative pour (1) comprendre l’origine de ces fluctuations, (2) explorer comment l’introduction d’éléments d’alliage, utilisés en métallurgie classique pour durcir les matériaux, peut être utilisé aux échelles sub-microniques pour supprimer l’intermittence de la déformation plastique, et (3) proposer des stratégies métallurgiques pour réduire ou supprimer ces instabilités aux petites échelles.
Ceci se fera à partir d’essais de compression sur micro-piliers de différents métaux, purs ou alliés, d’une analyse statistique des fluctuations plastiques, et de l'élaboration d'un cadre théorique associé au développement d’un nouvel outil de simulation par éléments-finis introduisant de manière explicite la stochasticité des processus.
Les partenaires chinois et français ont lancé une collaboration informelle en 2015. Ils ont pu franchir une première étape vers la quantification des fluctuations dans l’aluminium et des alliages de ce métal, révélant un effet du désordre sur l’intermittence de la plasticité, et ont initié un cadre théorique basé sur une modélisation en champ moyen introduisant la stochasticité des processus et unifiant les effets combinés de taille externe et du désordre (Zhang P, Salman O.U., Zhang J-Y, Liu G, Weiss J, Truskinovsky L, Sun J. Taming intermittent plasticity at small scales. Acta Mater. 2017). Toutefois, cette analyse s’est restreinte au cas des alliages cubique face centrée (CFC) d’aluminium. Afin d’obtenir une perspective générale sur la plasticité intermittente aux échelles sub-microniques, et sur les stratégies à développer pour réduire les effets délétères associés, nous proposons d’étendre ce travail précurseur aux métaux et alliages cubique-centrés (CC) et hexagonaux (HCP), pour lesquels d’autres mécanismes peuvent entrer en jeu.