Les propriétés mécaniques des matériaux liées aux microstructures obtenues au cours de leur solidification
Les alliages métalliques dits de structure sont utilisés dans de nombreuses applications comme le génie civil ou les industries du transport. Les propriétés, en particulier mécaniques, de ces matériaux résultent des microstructures obtenues au cours de la solidification. Maîtriser le développement de la microstructure est donc essentiel pour obtenir des matériaux aux propriétés spécifiques.
En outre, la solidification est un système modèle pour la formation de structures et leur organisation en réseaux, générique en physique des phénomènes hors équilibre.
L'instabilité de l'interface solide-liquide en solidification dirigée d'alliages conduit au développement d'un réseau de cellules (doigts) ou de dendrites (doigts ramifiés) de taille caractéristique de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de microns. L'étude de la formation de ces réseaux sur terre dans des configurations tridimensionnelles est rendue difficile par la présence de convection dans le liquide qui transporte les éléments d'alliages et crée des inhomogénéités de concentration macroscopiques.
OBSERVER LA FOrmation des microstructures
[no-lexicon]Dans le cadre d'un projet conjoint CNES-NASA (projet DECLIC-DSI)*, le CNES a réalisé un dispositif permettant d'observer, in situ et en temps rée,l la formation des microstructures de solidification dans un échantillon de grandes dimensions. Ce dispositif a été installé dans la Station Spatiale Internationale pour éliminer les perturbations liées à la convection. Le projet DECLIC-DSI est le fruit d'une collaboration scientifique entre des chercheurs de l'IM2NP (UMR CNRS 7334, Université d'Aix-Marseille), de Northeastern University (Boston,USA) et de Iowa State University (Ames, USA).[/no-lexicon]
Pendant plus de 100 jours entre avril 2010 et mai 2011, les expériences de solidification dans le DECLIC-DSI se sont enchaînées à bord de la Station Spatiale Internationale. Grâce à la Téléscience et au centre de contrôle du CNES (CADMOS Toulouse), un pilotage en "temps réel" à partir du laboratoire a permis d'optimiser les expériences (gestion des paramètres de contrôle, des caméras, de la mise au point, etc…) et donc les résultats. Après le retour sur terre de l’instrument, les expériences spatiales ont été reproduites afin de mettre en évidence les effets de la convection.
La qualité du système expérimental qui fournit des images de très haute qualité de la microstructure nous a permis d’obtenir une quantité de données considérable, toujours en cours d’analyse dans le but non seulement d’améliorer la compréhension de la formation des microstructures mais également de fournir des données de références nécessaires au développement de modèles théoriques et numériques utiles à l’optimisation des procédés et à l’élaboration de matériaux « sur mesure ».
Un résultat marquant : une structure qui «respire»
Parmi les résultats marquants de ces travaux, citons l’observation d’une structure cellulaire présentant une dynamique oscillante de type “respiratoire” : les cellules se dilatent et se rétractent périodiquement. Ces oscillations ne sont généralement pas corrélées d’une cellule à l’autre du fait du désordre intrinsèque du réseau. Il arrive cependant que plusieurs cellules s’ordonnent localement pour former un réseau régulier et leurs oscillations s’organisent alors, comme par exemple sur le réseau hexagonal où trois sous-réseaux oscillent avec un déphasage de 120 degrés (cf. figure).
A un instant donné, les cellules du sous-réseau le plus avancé inhibent les autres, mais les rôles s’inversent périodiquement. Ces résultats révèlent une forte interaction entre la structure du réseau et sa dynamique.
Ces résultats ont fait l’objet d’une publication dans Physical Review Letters (N. Bergeon et al., Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 226102) et ont été récompensés par le prix 2014 de l’American Astronautical Society « American Astronautical Society 2014 Awards for Top Discoveries in Microgravity on International Space Station ».
Deux autres campagnes d’expériences spatiales, sur des échantillons de compositions différentes, sont actuellement prévues pour les années à venir qui permettront de compléter les données plus spécifiquement sur le domaine dendritique d’une part et l’étude des instabilités secondaires du réseau cellulaire d’autre part.
Publications les plus significatives
N. Bergeon, A. Ramirez, L. Chen, B. Billia, J. Gu, R. Trivedi, Dynamics of interface pattern formation in 3D alloy solidification: first results from experiments in the DECLIC directional solidification insert on the International Space Station, Journal of Material Science 46 (2011) 6191–6202.
N. Bergeon, D. Tourret, L. Chen, J.-M. Debierre, R. Guérin, A. Ramirez, B. Billia, A. Karma, R. Trivedi, Spatiotemporal Dynamics of Oscillatory Cellular Patterns in Three-Dimensional Directional Solidification, Physical Review Letters 110 (2013) 226102.
F.L. Mota, N. Bergeon, D. Tourret, A. Karma, R. Trivedi, B. Billia, Initial transient behavior in directional solidification of a bulk transparent model alloy in a cylinder, Acta Materialia 85 (2015) 362-37.
Voir aussi
http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/declic/index.html
http://materialsworld.tumblr.com/post/113158387819/understanding-the-gravity-of-microstructure
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-03/nsc-fwa030615.php
