Un nouveau traitement sur l’alliage d’acier T-91 a abouti à une version plus résistante et plus ductile appelée G-T91, avec des grains métalliques ultra-fins présentant une super plasticité. Cette découverte de l’Université Purdue et des Sandia National Laboratories pourrait révolutionner des applications telles que les essieux de voiture et les câbles de suspension, mais le mécanisme exact reste un mystère.
Un nouveau traitement testé sur un acier de haute qualité alliage se traduit par une résistance et une flexibilité remarquables, des qualités souvent considérées comme un compromis plutôt que comme une combinaison. Les grains métalliques ultra-fins que le traitement produit dans la couche d’acier la plus externe semblent s’étirer, tourner puis s’allonger sous contrainte, conférant une superplasticité d’une manière que les chercheurs de l’Université Purdue ne peuvent pas expliquer pleinement.
Les chercheurs ont traité le T-91, un alliage d’acier modifié utilisé dans les applications nucléaires et pétrochimiques, mais ont déclaré que le traitement pourrait être utilisé dans d’autres endroits où un acier solide et ductile serait bénéfique, comme les essieux de voitures, les câbles de suspension et d’autres composants structurels. . La recherche, menée en collaboration avec Sandia National Laboratories et brevetée, est parue mercredi 31 mai dans Avancées scientifiques.
Plus intrigantes encore que le résultat immédiat d’une variante plus résistante et plus plastique du T-91 sont les observations faites à Sandia montrant les caractéristiques de ce que l’équipe appelle un « nanolaminé » de grains métalliques ultra-fins, le traitement créé dans une région s’étendant du surface jusqu’à une profondeur d’environ 200 microns. Les images microscopiques montrent une déformation inattendue de l’acier traité – surnommé G-T91 (ou gradient T91) – car il est soumis à des contraintes croissantes, a déclaré Xinghang Zhang, auteur principal et professeur à l’École d’ingénierie des matériaux de Purdue.
« Il s’agit d’un processus complexe et la communauté des chercheurs n’a jamais vu ce phénomène auparavant », a déclaré Zhang. « Par définition, le G-T91 fait preuve d’une superplasticité, mais le mécanisme exact qui permet cela n’est pas clair. »
Les métaux comme l’acier peuvent sembler monolithiques à l’œil nu, mais lorsqu’on les agrandit considérablement, une barre de métal se révèle être un conglomérat de cristaux individuels appelés grains. Lorsqu’un métal est soumis à une contrainte, les grains sont capables de se déformer de telle sorte que la structure métallique soit maintenue sans se rompre, permettant au métal de s’étirer et de se plier. Les grains plus gros peuvent supporter une contrainte plus importante que les grains plus petits, ce qui constitue la base d’un compromis fixe entre les métaux déformables à gros grains et les métaux résistants à petits grains.
Dans le Avancées scientifiques Dans cet article, l’auteur principal Zhongxia Shang, ancien étudiant diplômé du laboratoire de Zhang, a utilisé des contraintes de compression et de cisaillement pour briser les gros grains à la surface d’un échantillon de T-91 en grains plus petits. Une coupe transversale de l’échantillon montre que la taille des grains augmente depuis la surface, où les plus petits grains ultra-fins mesurent moins de 100 nanomètres, jusqu’au centre du matériau, où les grains sont 10 à 100 fois plus gros.
L’échantillon G-T91 modifié avait une limite d’élasticité d’environ 700 mégapascals, une unité de contrainte de traction, et résistait à une déformation uniforme d’environ 10 %, une amélioration significative par rapport à la résistance et à la plasticité combinées qui peuvent être atteintes avec la norme T-91.
« C’est la beauté de la structure, le centre est mou pour pouvoir supporter la plasticité mais, en introduisant le nanolaminé, la surface est devenue beaucoup plus dure », a déclaré Shang, maintenant chercheur scientifique au Birck Nanotechnology Center de Purdue. « Si vous créez ensuite ce dégradé, avec les gros grains au centre et les nanograins en surface, ils se déforment en synergie. Les gros grains s’occupent de l’étirement et les petits grains s’adaptent au stress. Et maintenant, vous pouvez fabriquer un matériau alliant résistance et ductilité.
Alors que l’équipe de recherche avait émis l’hypothèse que le G-T91 nanostructuré à gradient fonctionnerait mieux que le T-91 standard, les images de microscopie électronique à balayage prises à intervalles réguliers pendant les tests de tension révèlent un mystère. Les images de diffraction d’électrons rétrodiffusées prises au microscope électronique à balayage à Sandia montrent comment les grains du nanolaminé du G-T91 changent à des intervalles croissants de déformation réelle, une mesure de plasticité, de 0 % à 120 %. Au début du processus, les grains sont verticaux, avec une forme que l’équipe qualifie de lenticulaire. Mais à mesure que la tension augmente, ils semblent s’étirer pour prendre une forme plus globulaire, puis tourner et enfin s’allonger horizontalement.
Zhang a déclaré que les images montrent l’interface entre les grains – appelée limite de grain – en mouvement, permettant aux grains de s’étirer et de tourner et permettant à l’acier lui-même de se déformer plastiquement. L’équipe a obtenu un financement de la National Science Foundation pour étudier les règles régissant ce mouvement dans les joints de grains, ce qui pourrait permettre de comprendre le comportement de déformation intrigant des matériaux à gradient.
« Si nous savons comment et pourquoi ils se déplacent, nous pourrons peut-être trouver une meilleure façon de disposer les grains. Nous ne savons pas encore comment le faire, mais cela ouvre un potentiel très intéressant », a déclaré Zhang.
L’étude a été rendue possible grâce au soutien de la National Science Foundation. Les recherches menées à Sandia ont été soutenues par une proposition d’utilisateur au Center for Integrated Nanotechnologies, une installation utilisateur du Bureau of Science gérée par le Département américain de l’Énergie, Office of Science. Zhang et Shang ont été rejoints par Tianyi Sun, Jie Ding, Nicholas A. Richter et Haiyan Wang à Purdue, ainsi que par les chercheurs de Sandia Nathan M. Heckman, Benjamin C. White, Brad L. Boyce et Khalid Hattar, soutenus par le Bureau des sciences énergétiques fondamentales du Département américain de l’énergie.
Zhang a divulgué son innovation au Bureau de commercialisation de la technologie de la Purdue Research Foundation, qui a demandé et obtenu un brevet pour protéger la propriété intellectuelle. Les partenaires industriels souhaitant développer ou commercialiser davantage le travail peuvent contacter Parag Vasekar (e-mail protégé), au 2019-ZHAN-68391.
