Plasticité induite par transformation à l'échelle manométrique dans les céramiques à base de zircone – NANOTRIP

Les céramiques sont des matériaux à très fort potentiel pour des applications en environnements hostiles et/ou corrosifs ou lorsqu’une grande stabilité chimique est requise. Cependant, l’utilisation des céramiques en tant que matériaux de structure reste limitée à cause de leur faible ductilité et leur forte sensibilité aux défauts qui induit une grande variabilité de leur résistance à la rupture. Une révolution est survenue dans les années 1970 avec la découverte dans des céramiques à base de zircone d’une plasticité induite par transformation martensitique (ou effet TRIP en anglais) plutôt que par propagation de dislocations. L’alliage le plus étudié, la zircone stabilisée à l’yttrium, ne commence cependant à plastifier localement qu’après l’apparition de fissures, dont la propagation est ralentie mais pas évitée, ce qui n’est pas suffisant pour utiliser largement cette céramique. Un autre alliage de zircone, dopé au cérium, a été identifié plus récemment et se transforme entre une phase tétragonale et une phase monoclinique pour des contraintes plus faibles avant l’apparition de fissures. Les premières mesures expérimentales sont très encourageantes, avec des déformations plastiques avant rupture à l’intérieur des grains atteignant 7%. Cependant nous ne comprenons pas suffisamment l’effet TRIP pour produire des céramiques déformables au-delà de 1% à l’échelle macroscopique. Ainsi, le rôle du cérium dans la stabilisation de la zircone et sa concentration optimale restent à préciser et surtout les interactions entre zones transformées et joints de grains restent à étudier pour comprendre comment peut se propager la transformation entre grains, une condition nécessaire pour une ductilité macroscopique. L’objectif du projet NANOTRIP est de combiner des calculs à l’échelle atomique (ab initio et dynamique moléculaire) avec des caractérisations par microscopie électronique et diffraction synchrotron des rayons X pour étudier les processus nanoscopiques à l’origine de l’effet TRIP dans la zircone dopée au cérium et répondre aux questions suivantes : (1) quelle est la concentration optimale de cérium pour maximiser l’effet TRIP ?, (2) quels sont les états de contrainte, en termes d’intensité, d’orientation et d’hétérogénéité, favorisant la transformation ?, (3) quelles sont les conditions de croissance d’une région transformée à travers un joint de grains ? Pour cela, nous allons analyser par calculs ab initio la stabilité de la zircone cériée hors et sous contrainte et utiliser ces calculs pour ajuster un potentiel empirique qui servira à réaliser des simulations par dynamique moléculaire à plus grande échelle et analyser les conditions de croissance de nucléus transformés dans des grains uniques et des bi-cristaux. En parallèle, nous produirons expérimentalement des micropiliers de zircone cériée que nous déformerons ex situ et in situ dans un microscope à balayage ainsi qu’en synchrotron en utilisant plusieurs techniques de pointe (microdiffraction Laue, imagerie par diffraction cohérente de Bragg, diffraction RX à balayage). Les simulations et les expériences pourront être comparées à la même échelle et permettront un dialogue synergétique : nous utiliserons en simulation les mêmes orientations et états de contrainte qu’expérimentalement ; en retour la simulation donnera accès aux mécanismes de déformation à l’échelle atomique ainsi qu’aux défauts produits qui serviront à analyser finement les spectres RX. Notre objectif sera d’identifier les règles de sélection des variants monocliniques de transformation et de transmissions au travers des joints de grains, une étape nécessaire pour le développement de modèles de plasticité macroscopique dans les céramiques à effet TRIP. De plus, la plateforme que nous allons développer en associant expériences et simulations sera applicable à d’autres systèmes, comme des céramiques co-dopées ou à haute entropie.