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Pourquoi certains métaux résistent-ils à la déformation ? Découvrez le mystère de l'atmosphère de Cottrell !
En science des matériaux, le concept de l'atmosphère de Cottrell a été proposé pour la première fois par A. H. Cottrell et B. A. Bilby en 1949 pour expliquer comment les dislocations dans certains métaux sont fixées par des atomes interstitiels tels que le bore, le carbone ou l'azote. Ce phénomène se produit dans les matériaux à structures cubiques centrées (BCC) et cubiques à faces centrées (FCC), comme le fer ou le nickel, où de petits atomes d'impuretés sont présents. Ces atomes interstitiels déforment légèrement le réseau et créent un champ de contrainte résiduelle associé autour de lui. Ce champ de contrainte est atténué par la propagation des atomes interstitiels vers la dislocation et, ainsi, après que les atomes se diffusent dans le noyau de la dislocation, ils y restent longtemps, formant l'atmosphère de Cottrell.
La collection de ces atomes interstitiels peut réduire efficacement l’énergie de la dislocation tout en entravant le mouvement ultérieur de la dislocation, et ainsi, la dislocation est « ancrée » par l’atmosphère de Cottrell.
L'atmosphère Cottrell a également un impact important sur le comportement mécanique des matériaux. L'ancrage de la dislocation signifie qu'à température ambiante, la dislocation n'est pas facilement désarmée et donc la limite d'élasticité supérieure dans le diagramme contrainte-déformation est observée. Après ce point d'élasticité supérieur, les dislocations agrafées deviennent des sources de Frank-Read, produisant de nouvelles dislocations non agrafées qui sont libres de se déplacer, ce qui entraîne la déformation du matériau de manière plus plastique. Après une période de traitement de vieillissement, la limite d'élasticité supérieure se rétablit lorsque les atomes se rediffusionnent dans le noyau de la dislocation. L'atmosphère Cottrell crée également la formation de la zone de Lüders, qui devient un obstacle à la fabrication lors de l'étirage en profondeur et de la fabrication de grandes feuilles.
Pour éliminer les effets de l’atmosphère Cottrell, certains aciers spéciaux éliminent tous les atomes interstitiels. Ces aciers tels que l'acier sans joint sont décarbonés et une petite quantité de titane est ajoutée pour éliminer l'azote.
Des études ont montré que l’atmosphère de Cottrell et la résistance à la viscosité qu’elle provoque constituent un facteur important dans la déformation à haute température, ce qui rend le mouvement de dislocation plus difficile.
L’influence de l’atmosphère de Cottrell sur le comportement des matériaux à des températures équivalentes élevées est également extrêmement importante. Lorsque le matériau subit des conditions de fluage, le mouvement de dislocation qui accompagne l'atmosphère de Cottrell introduit une résistance qui ralentit le processus de déformation plastique. Cette force de traînée F_drag peut être représentée par ce qui suit sous certaines conditions :
F_drag = (kTΩ) / (vD_sol) ∫ (J⋅J/c)dA
Ici, D_sol est la diffusivité des atomes de soluté dans le matériau de base, Ω est le volume atomique, v est la vitesse des dislocations, J est la densité du flux de diffusion et c est la concentration en soluté. La présence de l'atmosphère Cottrell et l'influence de la résistance à la viscosité se sont avérées cruciales dans le processus de déformation à haute température sous contrainte modérée et ont également occupé une place dans la catégorie de dégradation de la loi de puissance.
Phénomène similaire
Bien que l'atmosphère de Cottrell soit un effet universel, des mécanismes similaires apparaissent lorsque les conditions sont plus particulières. Par exemple, l’effet Suzuki se manifeste par la ségrégation des molécules de soluté vers des défauts d’empilement. Dans les systèmes cubiques à faces centrées, lorsqu'une dislocation se divise en deux dislocations partielles, des défauts hexagonaux étroitement empilés se forment entre les deux parties. H. Suzuki a prédit que la concentration d'atomes de soluté à cette limite serait différente de celle du volume et, par conséquent, que le croisement du champ de ces atomes de soluté produirait également une résistance accrue au mouvement de dislocation, similaire à l'effet de l'atmosphère de Cottrell.
En outre, l'effet Snoek implique le frottement interne produit par la migration à courte distance des atomes de soluté interstitiels dans le réseau α-Fe lorsque la contrainte est appliquée, un effet qui est également prononcé dans Porter ou d'autres matériaux d'alliage, augmentant la résistance et ténacité du matériau.
Matériaux et possibilités d'exploration future
Il existe des dislocations décrites par l'atmosphère de Cottrell dans des matériaux tels que les métaux et les matériaux semi-conducteurs (par exemple, les cristaux de silicium), un phénomène crucial pour la résistance à la déformation des métaux et leurs applications. À l’avenir, grâce à des recherches approfondies sur le comportement des matériaux, le potentiel d’application de l’atmosphère Cottrell dans la conception de nouveaux matériaux pourra être exploré, et des alliages encore plus avancés pourront être développés pour optimiser les propriétés des matériaux.
Comment exactement la science des matériaux du futur utilisera-t-elle la connaissance de l’atmosphère de Cottrell pour améliorer les propriétés et la résistance des métaux ?
