Etude par simulation atomistique de l'effet des joints de grains sur la réponse élastique de polycristaux nanostructurés
Résumé
Les couches minces et revêtements à structure nanométrique sont devenus omniprésents, aussi bien dans l’industrie des semi conducteurs que dans celle de l’aéronautique et du transport terrestre. La connaissance précise des propriétés mécaniques de ces couches est de la plus haute importance pour l’utilisateur industriel et/ou scientifique. La contribution des joints de grains, des surfaces et interfaces est souvent évoquée pour expliquer les différences de comportement observées par rapport aux matériaux massifs à taille de grains conventionnelle. Notre laboratoire travaille depuis plus d’une décennie sur ces propriétés, en particulier sur les contraintes résiduelles et les coefficients d’élasticité au moyen d'un outil expérimental original qui associe la diffraction des rayons X et la traction in situ. Parallèlement, nous effectuons des calculs de coefficients d’élasticité au moyen d’ « expériences numériques » qui consistent à construire un échantillon de matériau et à simuler des essais de déformation variés. Nos calculs sont réalisés avec des potentiels semi-empiriques et des techniques de relaxation de type statique ou dynamique moléculaire.
Dans un premier temps, des calculs ont été menés sur des couches minces (auto-portées) et fils de tungstène monocristallin; ils ont mis en évidence une forte diminution du module d’Young lorsqu’on réduit la taille du cristal (épaisseur ou section inférieure à 2 nm) [1].
Dans un second temps, nous avons simulé des polycristaux de tungstène massif à taille de grains manométrique (figure 1) pour étudier l’effet de taille sur les modules d'élasticité ; nous avons observé une forte diminution des modules de compressibilité, de cisaillement et du module d’Young pour des tailles moyennes de grains comprises entre 11 et 3 nm. Une étroite corrélation a été observée entre la proportion de joints de grains dans l’échantillon et la diminution des modules. La figure 2 montre l’évolution du module d’Young (rapporté à la valeur du monocristal massif calculée avec le même potentiel) en fonction de la fraction atomique des régions inter-cristallines (joints de grains, jonctions triples…). L’objet de cette communication sera l’évaluation et l’interprétation du rôle joué par les régions interfaciales que constituent les joints de grains.
[1] P. Villain, P. Beauchamp, F. Badawi, P. Goudeau et P.-O. Renault, "Atomistic simulation of size effects on elastic coefficients in nanometre-sized layers and wires", Scripta. Mater. 50 (2004) 1247-1251.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)