Tout comme un côté d’une bascule monte tandis que l’autre descend, dans le domaine des matériaux métalliques, la « résistance » et l’« allongement » sont généralement en conflit. Cependant, une équipe collaborative de POSTECH et de l’Université Northwestern a récemment présenté une technologie révolutionnaire qui améliore ces deux propriétés.
Une équipe de recherche, composée du professeur Hyoung Seop Kim de l’Institut de hautes études en technologie des matériaux ferreux et écologiques et du Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux, du professeur Yoon-Uk Heo de l’Institut de hautes études en technologie des matériaux ferreux et écologiques et du candidat au doctorat Hyojin Park du Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de POSTECH, a collaboré avec le Dr Farahnaz Haftlang du Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université Northwestern.
Ensemble, ils ont abordé un problème de longue date dans la recherche sur les métaux : le compromis entre résistance et allongement. Leur avancée consiste à concevoir un alliage qui présente à la fois une résistance élevée et un allongement élevé.
L’étude est publié dans le journal Nature Communications.
La limite d’élasticité est la contrainte minimale à laquelle un matériau, comme le métal, commence à se déformer. Pour améliorer la durabilité et la sécurité structurelle d’un matériau, sa limite d’élasticité doit être augmentée, généralement en renforçant sa microstructure avec des « précipités » (de minuscules particules intégrées dans le métal). Cependant, dans ce processus, le précipité diffère souvent de la structure du métal de base, ce qui entraîne une réduction de l’allongement à mesure que la résistance augmente. Ce compromis entre « résistance » et « allongement » a traditionnellement rendu difficile l’amélioration simultanée des deux propriétés.
L’équipe du professeur Hyoung Seop Kim de POSTECH a mis au point une nouvelle approche pour résoudre ce problème, appelée « décomposition spinodale ». Ce processus implique la séparation spontanée d’une solution solide en deux phases distinctes, ce qui donne naissance à des structures nanométriques avec des atomes disposés de manière régulière.
Dans cette étude, du cuivre (Cu) et de l’aluminium (Al) ont été ajoutés à un alliage à entropie moyenne à base de fer pour déclencher une décomposition spinodale périodique à l’échelle nanométrique. Ce processus a conduit au durcissement spinodal, un phénomène qui améliore la résistance à la déformation structurelle. Par conséquent, la microstructure résultante augmente la résistance du matériau. La microstructure résultante, avec ses caractéristiques uniformément disposées, répartit efficacement la contrainte dans tout le matériau. Cette distribution permet de minimiser la déformation localisée, augmentant ainsi la résistance globale tout en préservant l’allongement.
Les expériences ont révélé que les alliages produits à l’aide de la méthode de l’équipe présentaient une intégrité structurelle supérieure à celle des alliages traditionnels, atteignant une limite d’élasticité de 1,1 GPa (gigapascals). Cela représente une amélioration de 187 % par rapport à l’alliage sans décomposition spinodale. Fait remarquable, même avec cette limite d’élasticité accrue, l’alliage a conservé presque le même allongement (28,5 %) qu’auparavant. Cette avancée permet à la fois une résistance et un allongement améliorés.
Hyoung Seop Kim, professeur à POSTECH, a déclaré : « Nous avons exploré les propriétés mécaniques des structures spinodales dans des alliages aux compositions complexes. Notre technologie d’alliage à haute résistance et à haut allongement a le potentiel d’améliorer les produits dans divers secteurs, notamment l’aérospatiale, l’automobile, l’énergie et l’électronique, en les rendant plus légers et plus durables. »
Plus d’information:
Hyojin Park et al., Décomposition spinodale périodique dans un alliage à double renforcement à entropie moyenne, Nature Communications (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-50078-6