Matériaux ultra-durs - Concepts et modélisations

Les ultra-durs sont des matériaux qui, comme le diamant ou le nitrure de bore cubique, présentent des propriétés mécaniques et physico-chimiques exceptionnelles. Leur mise en œuvre est à la base des tâches industrielles comme la découpe, l'abrasion, les forages, etc. Le diamant qui, dans sa forme cubique, est le matériau naturel le plus dur connu, est aussi l'ultra-dur le plus utilisé dans l'industrie, comme revêtement ou de manière directe. Sa synthèse à l'échelle industrielle, compte tenu du coût prohibitif du diamant naturel, est donc un impératif. Cependant, aux problèmes de coûts s'ajoutent des restrictions d'ordre thermochimique. En effet, son usage dans la découpe et l'usinage de pièces à base de fer est contre-indiqué compte tenu de son instabilité en température (870 K sous oxygène est une température effectivement atteinte par friction) conduisant à la dégradation non seulement du diamant lui-même, mais également de la pièce à usiner (modification locale de la composition chimique par insertion d'atomes de carbone excédentaires).

Pour les multinationales telles que General Electric, Sandvik, Norton US, De Beer ..., la production de matériaux ultra-durs se chiffre en plusieurs milliards d'euros. Une recherche en amont s'impose donc dans un tel contexte pour mieux comprendre les liens entre propriétés mécaniques, liaison chimique et structure cristalline. L'objectif in fine est d'optimiser l'utilisation des matériaux connus, d'une part, et surtout de pouvoir prédire de nouveaux matériaux aux propriétés mécaniques comparables tout en étant moins fragilisés dans les conditions d'utilisation, d'autre part. Pour cette raison, et afin de remplacer le diamant dans différentes applications, de nouveaux matériaux ultra-durs ont été recherchés. L'outil numérique dans son aspect prédictif vient alors en appui de la synthèse par sa détermination, en amont, des propriétés physico-chimiques attendues, notamment la dureté.

Cet article, rédigé à l'intention de l'ingénieur en sciences des matériaux, s'attache à examiner cette thématique. Les différentes voies possibles de synthèse des matériaux ultra-durs sont présentées, ainsi que les différentes approches du concept de dureté. La prise en compte de la résistance mécanique aux changements de volume et de forme nous conduira à introduire des notions bien connues des mécaniciens des matériaux (modules de compressibilité et de cisaillement, constantes élastiques...), pour aborder, ensuite, la présentation des nouveaux matériaux ultra-durs et le cadre théorique des calculs.