Des scientifiques époustouflés par le matériau le plus résistant au monde

Par Lawrence Berkeley National Laboratory11 décembre 2022

Images générées par microscopie montrant le chemin d'une fracture et la déformation de la structure cristalline qui l'accompagne dans l'alliage CrCoNi à l'échelle nanométrique lors d'essais sous contrainte à 20 kelvin (-424 ° F). La fracture se propage de gauche à droite. Crédit : Robert Ritchie/Berkeley Lab

A new study reveals the profound properties of a simple metal alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">alliage.

Les scientifiques ont mesuré la ténacité la plus élevée jamais enregistrée, de n'importe quel matériau, tout en étudiant un alliage métallique composé de chrome, de cobalt et de nickel (CrCoNi). Non seulement le métal est extrêmement ductile - ce qui, en science des matériaux, signifie hautement malléable - et d'une résistance impressionnante (ce qui signifie qu'il résiste à la déformation permanente), mais sa résistance et sa ductilité s'améliorent à mesure qu'il refroidit. Cela va à l'encontre de la plupart des autres matériaux existants.

"Dans les mêmes unités, la ténacité d'un morceau de silicium est de un, la cellule en aluminium des avions de passagers est d'environ 35, et la ténacité de certains des meilleurs aciers est d'environ 100. Donc, 500, c'est un nombre stupéfiant." —Robert Ritchie

L'équipe, dirigée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et du Oak Ridge National Laboratory, a publié une étude décrivant leurs découvertes record dans la revue Science le 1er décembre 2022.

"Lorsque vous concevez des matériaux de structure, vous voulez qu'ils soient solides mais aussi ductiles et résistants à la rupture", a déclaré le co-responsable du projet Easo George, président du gouverneur pour la théorie et le développement des alliages avancés à l'ORNL et à l'université du Tennessee. "Généralement, c'est un compromis entre ces propriétés. Mais ce matériau est les deux, et au lieu de devenir cassant à basse température, il devient plus dur."

CrCoNi est un sous-ensemble d'une classe de métaux appelés alliages à haute entropie (HEA). 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 égal de chaque élément constitutif. Ces recettes atomiques équilibrées semblent conférer à certains de ces matériaux une combinaison extraordinairement élevée de résistance et de ductilité lorsqu'ils sont soumis à des contraintes, qui constituent ensemble ce que l'on appelle la « résistance ». Les HEA sont un domaine de recherche brûlant depuis leur développement il y a environ 20 ans, mais la technologie nécessaire pour pousser les matériaux à leurs limites lors de tests extrêmes n'était pas disponible jusqu'à récemment.

"The toughness of this material near liquid helium temperatures (20 kelvin, -424 °FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Fahrenheit) est aussi élevée que 500 mégapascals mètres de racine carrée. Dans les mêmes unités, la ténacité d'un morceau de silicium est de un, la cellule en aluminium des avions de passagers est d'environ 35 et la ténacité de certains des meilleurs aciers est d'environ 100. Donc, 500, c'est un nombre stupéfiant », a déclaré le co-responsable de la recherche, Robert Ritchie, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et professeur d'ingénierie Chua à l'UC Berkeley.

Ritchie et George 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 d'alliages, puis ont abaissé les matériaux à des températures d'azote liquide (environ 77 kelvins ou -321 ° F) et ont découvert une résistance et une ténacité impressionnantes. Ils ont immédiatement voulu poursuivre leur travail avec des tests dans des plages de température d'hélium liquide, mais trouver des installations qui permettraient de tester des échantillons sous contrainte dans un environnement aussi froid et recruter des membres de l'équipe dotés des outils d'analyse et de l'expérience nécessaires pour analyser ce qui se passe dans le matériau à un niveau atomique a pris les 10 années suivantes. Heureusement, les résultats valaient la peine d'attendre.

De nombreuses substances solides, y compris les métaux, existent sous une forme cristalline caractérisée par un motif atomique 3D répétitif, appelé cellule unitaire, qui constitue une structure plus grande appelée réseau. La résistance et la ténacité du matériau, ou leur absence, proviennent des propriétés physiques du treillis. Aucun cristal n'est parfait, de sorte que les cellules unitaires d'un matériau contiendront inévitablement des "défauts", un exemple frappant étant les dislocations - des limites où un réseau non déformé rencontre un réseau déformé. Lorsqu'une force est appliquée au matériau - pensez, par exemple, à plier une cuillère en métal - le changement de forme est accompli par le mouvement des dislocations à travers le réseau. Plus il est facile pour les dislocations de se déplacer, plus le matériau est mou. Mais si le mouvement des dislocations est bloqué par des obstacles sous la forme d'irrégularités de réseau, alors plus de force est nécessaire pour déplacer les atomes à l'intérieur de la dislocation, et le matériau devient plus fort. D'un autre côté, les obstacles rendent généralement le matériau plus fragile - sujet à la fissuration.

"Nous avons pu visualiser cette transformation inattendue grâce au développement de détecteurs d'électrons rapides dans nos microscopes électroniques, qui nous permettent de discerner différents types de cristaux et de quantifier les défauts à l'intérieur à la résolution d'un seul nanomètre - la largeur de quelques atomes seulement - ce qui, en fin de compte, correspond à peu près à la taille des défauts dans la structure NiCoCr déformée." — André Mineur

Using neutron diffraction, electron backscatter diffraction, and transmission electron microscopy, Ritchie, George, and their colleagues at Berkeley Lab, the University of BristolThe University of Bristol, a red brick research university in Bristol, England, received its royal charter in 1909. However, it can trace its history back to 1876 (as University College, Bristol) and 1595 (as Merchant Venturers School). It is organized into six academic faculties composed of multiple schools and departments running over 200 undergraduate courses." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">L'Université de Bristol, le laboratoire Rutherford Appleton et l'Université de Nouvelle-Galles du Sud ont examiné les structures en treillis d'échantillons de CrCoNi qui avaient été fracturés à température ambiante et à 20 K. (Pour mesurer la résistance et la ductilité, un échantillon de métal vierge est tiré jusqu'à ce qu'il se fracture, alors que pour les tests de ténacité à la rupture, une fissure aiguë est intentionnellement introduite dans l'échantillon avant qu'il ne soit tiré et la contrainte nécessaire pour faire croître la fissure est ensuite mesurée.)

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 de dislocation qui entrent en vigueur dans un ordre particulier lorsque la force est appliquée au matériau. Premièrement, les dislocations en mouvement provoquent le glissement de zones du cristal 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 dans la direction perpendiculaire au mouvement de glissement, créant une sorte d'obstacle. Une force supplémentaire sur le métal crée un phénomène appelé nanotwinning, dans lequel des zones du réseau forment une symétrie en miroir avec une frontière entre les deux. 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.

Cette séquence d'interactions atomiques garantit que le métal continue de couler, mais continue également de rencontrer une nouvelle résistance contre les obstacles bien au-delà du point où la plupart des matériaux se détachent de la contrainte. "Alors que vous le tirez, le premier mécanisme démarre, puis le deuxième démarre, puis le troisième démarre, puis le quatrième", a expliqué Ritchie. "Maintenant, beaucoup de gens diront, eh bien, nous avons vu des nanojumelages dans des matériaux ordinaires, nous avons vu des glissements dans des matériaux ordinaires. C'est vrai. Il n'y a rien de nouveau à ce sujet, mais c'est le fait qu'ils se produisent tous dans cette séquence magique qui nous donne ces propriétés vraiment formidables."

Les nouvelles découvertes de l'équipe, associées à d'autres travaux récents sur les HEA, pourraient forcer la communauté des sciences des matériaux à reconsidérer les notions de longue date sur la façon dont les caractéristiques physiques donnent lieu à des performances. "C'est amusant parce que les métallurgistes disent que la structure d'un matériau définit ses propriétés, mais la structure du NiCoCr est la plus simple que vous puissiez imaginer - ce ne sont que des grains", a déclaré Ritchie. "Cependant, lorsque vous la déformez, la structure devient très compliquée, et ce changement contribue à expliquer sa résistance exceptionnelle à la rupture", a ajouté le co-auteur Andrew Minor, directeur du National Center of Electron Microscopy facility of the Molecular Foundry at Berkeley Lab et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. "Nous avons pu visualiser cette transformation inattendue grâce au développement de détecteurs d'électrons rapides dans nos microscopes électroniques, qui nous permettent de discerner différents types de cristaux et de quantifier les défauts à l'intérieur à la résolution d'un seul nanomètre - la largeur de quelques atomes seulement - ce qui, en fin de compte, correspond à peu près à la taille des défauts dans la structure NiCoCr déformée."

L'alliage CrMnFeCoNi a également été testé à 20 kelvin et a obtenu des performances impressionnantes, mais n'a pas atteint la même ténacité que l'alliage CrCoNi plus simple.

Maintenant que le fonctionnement interne de l'alliage CrCoNi est mieux compris, celui-ci et d'autres HEA sont un pas de plus vers l'adoption pour des applications spéciales. Bien que ces matériaux soient coûteux à créer, George prévoit des utilisations dans des situations où des conditions environnementales extrêmes pourraient détruire des alliages métalliques standard, comme dans les températures glaciales de l'espace lointain. Lui et son équipe d'Oak Ridge étudient également comment des alliages constitués d'éléments plus abondants et moins chers - il y a une pénurie mondiale de cobalt et de nickel en raison de leur demande dans l'industrie des batteries - pourraient être amenés à avoir des propriétés similaires.

Bien que les progrès soient passionnants, Ritchie prévient que l'utilisation dans le monde réel pourrait encore être loin, pour une bonne raison. "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 n'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 de structure peuvent prendre de nombreuses années, voire des décennies, pour être réellement utilisés."

Dong Liu, Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz, Mark Asta, Andrew M. Minor, Easo P. George et Robert O. Ritch ie, 1er décembre 2022, Science.DOI:10.1126/science.abp8070

Cette recherche a été financée par le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie. Les essais mécaniques à basse température et la diffraction des neutrons ont été effectués à l'installation ENGIN-X ISIS du laboratoire Rutherford Appleton, dirigée par le premier auteur Dong Liu. La microscopie a été réalisée au National Center for Electron Microscopy at the Molecular Foundry, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Berkeley Lab. Les autres auteurs de ce projet étaient Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Joachim-Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz et Mark Asta.