Trouver des matériaux structuraux résistant à la rupture à très basse température est un défi, mais est important pour des domaines tels que l’exploration spatiale. Récemment, des chercheurs ont découvert un alliage métallique de chrome-cobalt-nickel à haute entropie qui a une ténacité à la rupture incroyablement élevée à des températures cryogéniques. Son utilisation pourrait révolutionner la métallurgie.
L’alliage a longtemps été utilisé pour conférer des propriétés souhaitables aux matériaux. Typiquement, cela implique l’ajout de quantités relativement faibles d’éléments secondaires à un élément primaire. Au cours des deux dernières décennies, cependant, une nouvelle stratégie d’alliage, qui implique la combinaison de plusieurs éléments principaux à des concentrations élevées pour créer de nouveaux matériaux appelés alliages à haute entropie, est mise en œuvre.
Les alliages à haute entropie ont fait leur apparition en 2004. Au départ mis en évidence par hasard ou par essais-erreurs, les scientifiques s’y intéressent de plus en plus, notamment dans le but de créer des matériaux uniques aux caractéristiques spécifiques. En effet, ces alliages à haute entropie sont constitués d’au moins cinq métaux en proportion proche d’équimolaire (en général entre 5 et 35%), c’est-à-dire d’un mélange égal de chaque élément constitutif.
Récemment, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et du Oak Ridge National Laboratory, ont mesuré la ténacité la plus élevée jamais enregistrée pour un matériau en étudiant un alliage métallique composé de chrome, de cobalt et de nickel (CrCoNi). Les propriétés de ce dernier s’améliorent à mesure qu’il refroidit, contrairement à la plupart des autres matériaux existants. Leurs travaux sont publiés dans la revue Science.
Innovation dans les alliages à haute entropie
CrCoNi est un sous-ensemble des alliages à haute entropie. Comme mentionné précédemment, tous les alliages utilisés aujourd’hui contiennent une proportion élevée d’un élément avec des quantités inférieures d’éléments supplémentaires ajoutés, mais les HEA sont constitués d’un mélange équimolaire.
Ces mélanges atomiques équilibrés semblent conférer à certains de ces matériaux une combinaison extraordinairement élevée de résistance et de ductilité lorsqu’ils sont soumis à des contraintes. La ductilité renvoie, pour un matériau, au fait d’être hautement malléable. La résistance d’un matériau signifie qu’il supporte une déformation permanente.
Robert Ritchie, scientifique principal de la faculté de la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et professeur d’ingénierie Chua à l’UC Berkeley, et Easo George, président du groupe pour le développement des alliages avancés à l’Université du Tennessee, ont commencé à expérimenter le CrCoNi et un autre alliage contenant également du manganèse et du fer (CrMnFeCoNi) il y a près de dix ans.
Ils ont créé des échantillons des alliages, puis ont abaissé les matériaux à des températures d’azote liquide (environ 77 kelvins, soit -196 °C) et ont découvert une résistance et une ténacité impressionnantes. Ils ont immédiatement voulu poursuivre leur travail avec des tests à des plages de température d’hélium liquide, mais la technologie nécessaire pour pousser les matériaux à leurs limites lors de tests extrêmes n’était pas disponible jusqu’à récemment.
Trop froid pour casser
Pour mesurer la résistance et la ductilité, un échantillon de métal vierge est étiré jusqu’à ce qu’il se fracture, tandis que pour les tests de ténacité à la rupture, une fissure aiguë est intentionnellement introduite dans l’échantillon avant qu’il ne soit étiré et la contrainte nécessaire pour provoquer la fissure est ensuite mesurée.
À l’aide de la diffraction des neutrons, de la diffraction par rétrodiffusion des électrons et de la microscopie électronique à transmission, les auteurs ont examiné les structures de réseau des échantillons de CrCoNi qui avaient été fracturées à température ambiante et à 20 kelvins (-253 °C).
Les images et les cartes atomiques générées à partir de ces techniques ont révélé que la ténacité de l’alliage est due à un trio d’obstacles à la dislocation dans un ordre particulier, lorsque la force est appliquée au matériau. Premièrement, les dislocations en mouvement provoquent le glissement de zones du matériau par rapport à d’autres zones situées sur des plans parallèles. Ce mouvement déplace des couches de cellules unitaires de sorte que leur motif ne corresponde plus à la direction perpendiculaire au mouvement de glissement, créant une sorte d’obstacle.
Une force supplémentaire sur le métal crée un phénomène appelé ‘nanotwinning’ (nano-jumelage), dans lequel les zones du réseau forment une symétrie en miroir avec une frontière entre elles. Enfin, si les forces continuent d’agir sur le métal, l’énergie injectée dans le système modifie la disposition des cellules unitaires elles-mêmes, les atomes de CrCoNi passant d’un cristal cubique à faces centrées à un autre arrangement connu sous le nom de compactage hexagonal.
Robert Ritchie explique dans un communiqué : « Alors que vous le tirez, le premier mécanisme démarre, puis le deuxième démarre, puis le troisième, puis le quatrième. Maintenant, beaucoup de gens diront, eh bien, nous avons vu le ‘nanotwinning’ dans les matériaux ordinaires, nous avons vu un glissement dans les matériaux ordinaires. C’est vrai. Il n’y a rien de nouveau à cela, mais c’est le fait qu’ils se produisent tous dans cette séquence magique qui nous donne ces propriétés vraiment formidables ».
L’alliage CrMnFeCoNi a également été testé à 20 kelvins et a montré des performances impressionnantes (262 mégapascal-mètres½), mais n’a pas atteint la même ténacité que l’alliage CrCoNi plus simple (459 mégapascal-mètres½).
Et maintenant ?
Bien que ces matériaux soient coûteux à créer, E. George prévoit des utilisations dans des situations où des conditions environnementales extrêmes pourraient détruire des alliages métalliques standard, comme dans l’espace lointain. Les auteurs étudient également comment des alliages constitués d’éléments plus abondants et moins chers pourraient être amenés à avoir des propriétés similaires.
Néanmoins, R. Ritchie prévient que l’utilisation dans le monde réel est encore loin. Il conclut : « Lorsque vous volez dans un avion, aimeriez-vous savoir que ce qui vous évite de tomber de 40 000 pieds est un alliage de cellule qui a été développé qu’il y a quelques mois ? Ou voudriez-vous que les matériaux soient matures et bien compris ? C’est pourquoi les matériaux structuraux peuvent prendre de nombreuses années, voire des décennies, avant d’être réellement utilisés. »
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