Les chercheurs ont mis au point une approche basée sur la mécanique quantique qui améliore considérablement la prédiction et l’amélioration de la ductilité des métaux, conduisant au développement de métaux si durables qu’ils pourraient être considérés comme « incassables » pour leur application donnée. Crédit : Issues.fr.com
Les scientifiques ont développé une méthode basée sur la mécanique quantique pour prédire la ductilité des métaux, qui s'avère particulièrement efficace pour les matériaux utilisés dans des conditions de haute température. Cette approche innovante, mettant en évidence l’importance de la distorsion atomique locale, permet de tester rapidement des milliers de matériaux, rationalisant ainsi le processus de développement pour des industries comme l’aérospatiale et l’énergie.
Une équipe de scientifiques du laboratoire national Ames et de la Texas A&M University a développé une nouvelle façon de prédire la ductilité des métaux. Cette approche basée sur la mécanique quantique répond au besoin d’un moyen peu coûteux, efficace et à haut débit pour prédire la ductilité. L’équipe a démontré son efficacité sur les alliages réfractaires multi-éléments principaux. Ce sont des matériaux intéressants pour une utilisation dans des conditions de haute température, mais ils manquent souvent de la ductilité nécessaire pour des applications potentielles dans l'aérospatiale, les réacteurs à fusion et les turbines terrestres.
L’équipe a découvert qu’une activité de charge plus élevée (augmentée) est responsable d’une meilleure ductilité dans les métaux cubiques centrés sur le corps. La région jaune, qui représente la charge électronique la plus élevée dans les interstitiels (zone située entre les atomes), correspond à l'activité de charge accrue qui conduit à une ductilité plus élevée. Les régions bleu clair sont des interstitiels avec une activité de charge plus faible. Dans cette image, chaque atome est représenté par une couleur différente, tantale (Ta), molybdène (Mo) et tungstène (W), comme spécifié ci-dessus. Les contours bleu, rose et rouge montrent la répartition des charges autour de chaque site. Crédit : Laboratoire national Ames du Département américain de l'énergie
Le défi de prédire la ductilité des métaux
La ductilité décrit la capacité d'un matériau à résister aux contraintes physiques sans se fissurer ni se briser. Selon Prashant Singh, scientifique au Ames Lab et responsable des efforts de conception théorique, il n'existe actuellement aucun moyen robuste de prédire la ductilité des métaux. De plus, les expérimentations par essais et erreurs sont coûteuses et prennent du temps, en particulier dans des conditions extrêmes.
Une manière typique de modéliser des atomes consiste à utiliser des sphères rigides et symétriques. Cependant, Singh a expliqué que dans les matériaux réels, les atomes sont de tailles et de formes différentes. Lorsque vous mélangez des éléments avec des atomes de tailles différentes, les atomes s'ajustent continuellement pour s'adapter à l'espace fixe. Ce comportement crée une distorsion atomique locale.
La mécanique quantique améliore la prévision de la ductilité
La nouvelle analyse intègre la distorsion atomique locale pour déterminer si un matériau est fragile ou ductile. Il élargit également les capacités des approches actuelles. « Elles (les approches actuelles) ne sont pas très efficaces pour faire la distinction entre les systèmes ductiles et fragiles pour de petits changements de composition. Mais la nouvelle approche peut capturer de tels détails non triviaux, car nous avons désormais ajouté une fonctionnalité de mécanique quantique dans l’approche qui manquait », a déclaré Singh.
Un autre avantage de cette nouvelle méthode de test à haut débit est son efficacité. Singh a expliqué qu'il peut tester rapidement des milliers de matériaux. La vitesse et la capacité permettent de prédire quelles combinaisons de matériaux valent la peine d'être portées au niveau expérimental. Cela minimise le temps et les ressources nécessaires pour découvrir ces matériaux grâce à des méthodes expérimentales.
Validation et implications pour les applications à haute température
Pour déterminer l'efficacité de leur test de ductilité, Gaoyuan Ouyang, un scientifique du laboratoire Ames, a dirigé les efforts expérimentaux de l'équipe. Ils ont effectué des tests de validation sur un ensemble d’alliages réfractaires multi-éléments principaux (RMPEA) prévus. Les RMPEA sont des matériaux susceptibles d'être utilisés dans des environnements à haute température, tels que les systèmes de propulsion aérospatiale, les réacteurs nucléaires, les turbines et d'autres applications énergétiques.
Grâce à leurs tests de validation, l’équipe a découvert que « les métaux ductiles prévus subissaient une déformation significative sous des contraintes élevées, tandis que le métal fragile se fissura sous des charges similaires, confirmant la robustesse de la nouvelle méthode de mécanique quantique », a déclaré Ouyang.
Cette recherche est discutée plus en détail dans l'article « Une métrique de ductilité pour les alliages multi-principaux-éléments à base réfractaire », rédigé par Prashant Singh, Brent Vela, Gaoyuan Ouyang, Nicolas Argibay, Jun Cui, Raymundo Arroyave et Duane D. Johnson. , et publié dans Actes matériels.
