Un nouvel alliage choque les scientifiques avec sa résistance et sa ténacité presque impossibles

Des chercheurs ont découvert un métal extraordinaire alliage qui ne se fissurera pas à des températures extrêmes en raison du vrillage ou de la flexion des cristaux de l'alliage au niveau atomique.

Un alliage métallique composé de niobium, de tantale, de titane et d'hafnium a choqué les scientifiques en matériaux par sa résistance et sa ténacité impressionnantes à des températures extrêmement chaudes et froides, une combinaison de propriétés qui semblaient jusqu'à présent presque impossibles à obtenir. Dans ce contexte, la résistance est définie comme la force qu'un matériau peut résister avant d'être déformé de façon permanente par rapport à sa forme d'origine, et la ténacité est sa résistance à la fracturation (fissuration). La résilience de l'alliage à la flexion et à la rupture dans une vaste gamme de conditions pourrait ouvrir la porte à une nouvelle classe de matériaux pour les moteurs de nouvelle génération pouvant fonctionner à des rendements plus élevés.

L'équipe, dirigée par Robert Ritchie du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'UC Berkeley, en collaboration avec les groupes dirigés par les professeurs Diran Apelian de l'UC Irvine et Enrique Lavernia de la Texas A&M University, a découvert les propriétés surprenantes de l'alliage, puis a compris comment ils résultent d’interactions dans la structure atomique. Leurs travaux sont décrits dans une étude récemment publiée dans la revue Science.

« L’efficacité de la conversion de la chaleur en électricité ou en poussée est déterminée par la température à laquelle le carburant est brûlé : plus il fait chaud, mieux c’est. Cependant, la température de fonctionnement est limitée par les matériaux structurels qui doivent y résister », a déclaré le premier auteur David Cook, titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Ritchie. « Nous avons épuisé toute possibilité d'optimiser davantage les matériaux que nous utilisons actuellement à haute température, et il existe un grand besoin de nouveaux matériaux métalliques. C’est dans ce domaine que cet alliage est prometteur.

L'alliage dans cette étude appartient à une nouvelle classe de métaux connus sous le nom d'alliages réfractaires à entropie élevée ou moyenne (RHEA/RMEA). La plupart des métaux que nous voyons dans les applications commerciales ou industrielles sont des alliages constitués d'un métal principal mélangé à de petites quantités d'autres éléments, mais les RHEA et les RMEA sont fabriqués en mélangeant des quantités presque égales d'éléments métalliques avec des températures de fusion très élevées, ce qui leur donne propriétés uniques que les scientifiques sont encore en train de découvrir. Le groupe de Ritchie étudie ces alliages depuis plusieurs années en raison de leur potentiel pour les applications à haute température.

« Notre équipe a déjà effectué des travaux sur les RHEA et les RMEA et nous avons constaté que ces matériaux sont très résistants, mais possèdent généralement une ténacité extrêmement faible, c'est pourquoi nous avons été choqués lorsque cet alliage a montré une ténacité exceptionnellement élevée », a déclaré l'auteur co-correspondant. Punit Kumar, chercheur postdoctoral du groupe.

Selon Cook, la plupart des RMEA ont une ténacité inférieure à 10 MPa√m, ce qui en fait l'un des métaux les plus fragiles jamais enregistrés. Les meilleurs aciers cryogéniques, spécialement conçus pour résister à la rupture, sont environ 20 fois plus résistants que ces matériaux. Pourtant le niobium, le tantale, le titane et le hafnium (Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅) L'alliage RMEA était capable de battre même l'acier cryogénique, avec une résistance plus de 25 fois supérieure à celle des RMEA classiques à température ambiante.

Mais les moteurs ne fonctionnent pas à température ambiante. Les scientifiques ont évalué la résistance et la ténacité à cinq températures au total : -196°C (température de l'azote liquide), 25°C (température ambiante), 800°C, 950°C et 1 200°C. La dernière température est d’environ 1/5 de la température de surface du soleil.

L’équipe a constaté que l’alliage avait la plus grande résistance au froid et devenait légèrement plus faible à mesure que la température augmentait, mais affichait toujours des chiffres impressionnants sur toute la large plage. La ténacité à la rupture, calculée à partir de la force nécessaire pour propager une fissure existante dans un matériau, était élevée à toutes les températures.

Démêler les arrangements atomiques

Presque tous les alliages métalliques sont cristallins, ce qui signifie que les atomes à l’intérieur du matériau sont disposés en unités répétitives. Cependant, aucun cristal n’est parfait, ils contiennent tous des défauts. Le défaut le plus important qui bouge s’appelle la dislocation, qui est un plan inachevé d’atomes dans le cristal. Lorsqu’une force est appliquée à un métal, de nombreuses dislocations se déplacent pour s’adapter au changement de forme.

Par exemple, lorsque vous pliez un trombone en aluminium, le mouvement des dislocations à l’intérieur du trombone s’adapte au changement de forme. Cependant, le mouvement des dislocations devient plus difficile à basse température et, par conséquent, de nombreux matériaux deviennent cassants à basse température car les dislocations ne peuvent pas bouger. C'est pourquoi la coque en acier du Titanic s'est fracturée lorsqu'il a heurté un iceberg. Les éléments ayant des températures de fusion élevées et leurs alliages poussent cela à l'extrême, nombre d'entre eux restant fragiles même jusqu'à 800°C. Cependant, ce RMEA va à l’encontre de la tendance, en résistant aux cassures même à des températures aussi basses que l’azote liquide (-196°C).

Pour comprendre ce qui se passait à l'intérieur du métal remarquable, le co-chercheur Andrew Minor et son équipe ont analysé les échantillons soumis à des contraintes, ainsi que des échantillons témoins non pliés et non fissurés, en utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage 4D (4D-STEM) et la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM). ) au Centre national de microscopie électronique, qui fait partie de la fonderie moléculaire du Berkeley Lab.

Les données de microscopie électronique ont révélé que la ténacité inhabituelle de l'alliage provient d'un effet secondaire inattendu d'un défaut rare appelé bande pliée. Des bandes pliées se forment dans un cristal lorsqu'une force appliquée provoque l'effondrement des bandes de cristal sur elles-mêmes et leur courbure brusque. La direction dans laquelle le cristal se plie dans ces bandes augmente la force ressentie par les dislocations, les faisant se déplacer plus facilement. Au niveau de la masse, ce phénomène provoque un ramollissement du matériau (ce qui signifie que moins de force doit être appliquée sur le matériau lors de sa déformation). L'équipe savait, grâce à des recherches antérieures, que des bandes pliées se formaient facilement dans les RMEA, mais a supposé que l'effet adoucissant rendrait le matériau moins résistant en facilitant la propagation d'une fissure à travers le treillis. Mais en réalité, ce n’est pas le cas.

« Nous montrons, pour la première fois, qu'en présence d'une fissure prononcée entre les atomes, les bandes pliées résistent réellement à la propagation d'une fissure en répartissant les dommages, empêchant ainsi la fracture et conduisant à une ténacité extraordinairement élevée », a déclaré Cook.

Le Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅ L'alliage devra subir des recherches beaucoup plus fondamentales et des tests d'ingénierie avant de réaliser quelque chose comme une turbine d'avion à réaction ou EspaceX La tuyère de fusée en est fabriquée, a déclaré Ritchie, car les ingénieurs en mécanique ont à juste titre besoin d'une compréhension approfondie du fonctionnement de leurs matériaux avant de les utiliser dans le monde réel. Cependant, cette étude indique que le métal a le potentiel pour construire les moteurs du futur.

Cette recherche a été menée par David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Diran Apelian et Robert O. Ritchie, scientifiques du Berkeley Lab, de l'UC Berkeley, du Pacific Northwest National Laboratory et de l'UC Irvine, avec un financement du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie (DOE). Des analyses expérimentales et informatiques ont été menées à la fonderie moléculaire et au centre informatique scientifique national de recherche énergétique – tous deux sont des installations utilisatrices du bureau scientifique du DOE.