Lorsqu’on les observe au microscope, on constate que les métaux et alliages sont constitués de grains. La faible taille de ces grains est généralement synonyme de résistance mécanique, tant qu’elle reste supérieure à une taille critique. Une équipe de chercheurs a démontré que cette limite pouvait être dépassée.
En science des matériaux, la relation mathématique qui permet de relier la limite d’élasticité à la taille des grains est appelée équation de Hall-Petch. D’après cette relation, plus la taille des grains constituant un matériau diminue, plus sa résistance mécanique augmente.
Pour les métallurgistes, réduire la taille des grains est donc un moyen couramment employé pour obtenir des alliages performants.
Néanmoins, les expérimentations réalisées à travers le monde sur plusieurs matériaux nanocristallins ont démontré qu’il semblait exister une taille critique, autour de 10-15 nm, en dessous de laquelle il se produisait le phénomène inverse. Ce phénomène communément appelé “effet Hall-Petch inverse” est causé par un changement dans le mécanisme de déformation. On passe alors d’un régime dominé par les dislocations à un régime dominé par les glissements au niveau des joints de grains.
Dépasser les limites grâce à la pression
Selon une équipe de chercheurs du Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) de Shanghai, cette fameuse taille critique de 10-15 nm n’en serait pas vraiment une. En effet, cette équipe a découvert qu’appliquer des forces de compression colossales (de l’ordre du Gpa) permettait de supprimer l’effet de glissement au niveau des joints de grain.
Les travaux qu’ils ont récemment publiés dans le journal Nature révèlent ainsi qu’il est possible, dans certains cas, d’obtenir un renforcement continu.
“Nous avons été surpris d’observer un renforcement continu sur des échantillons de nickel dont la taille des grains allait de 200 nm à 3 nm, alors que ce renforcement aurait dû s’arrêter en dessous de 20 nm”, affirme le docteur Bin Chen, du HPSTAR.
Par ailleurs, il précise que “les méthodes de caractérisation mécanique traditionnelles sont inadaptées pour effectuer des mesures à l’échelle nanométrique. Jusqu’à présent, il n’existait donc pas de mesures expérimentales directes concernant la résistance de grains de 10-15 nm”.
Des résultats encourageants
“Ces résultats tranchent avec les croyances traditionnelles concernant la frontière de 10-15 nm en dessous de laquelle il y a ramollissement. Ils impliquent de possibles stratégies permettant d’obtenir des métaux à ultra haute résistance par affinage des grains et suppression de la plasticité par mouvement de joints de grains”, affirme le Dr Chen.
La prochaine étape sera la conception de pièces métalliques de grande dimension par compression de nanométaux, pour des applications aussi diverses que l’automobile, l’aérospatial, l’aéronautique, ou l’industrie des outils de coupe.
Le Dr Chen précise : “Concevoir de nouveaux alliages industriels est possible. Comme notre approche est basée sur des mécanismes généraux, elle permet d’envisager la fabrication de nombreux alliages à base de magnésium, de nickel ou d’aluminium.”
Pour en savoir plus : Zhou, X., Feng, Z., Zhu, L. et al. High-pressure strengthening in ultrafine-grained metals. Nature 579, 67–72 (2020).
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