L’alliage fer-or monte en température
Les alliages métalliques composés de cristaux à l’échelle nanométrique sont beaucoup plus résistants et durs que leurs homologues plus grands. Les avantages de ces «nanoalliages» ont été limités par le fait que leur structure nanocristalline se désagrège à des températures relativement élevées. Le projet TheSBIE, financé par l’UE, a mis au point un alliage fer-or qui conserve sa structure nanocristalline à des températures supérieures à 1 000 °C – proches du point de fusion de l’or.
De gros problèmes avec de minuscules cristaux
Les métaux qui composent les cristallites sont généralement instables aux températures très élevées habituellement utilisées pour la fabrication et le traitement des métaux. Les cristallites peuvent croître et fusionner entre elles, ce qui entraîne un indésirable ramollissement des métaux. «Les cristallites adjacentes présentent des orientations différentes, ce qui conduit à la formation d’un joint de grains entre elles. Cette interface est désordonnée, surtout à haute température, cela entraîne la formation de grandes zones de structure relativement ouverte entre les cristallites», explique Dor Amram, coordinateur de TheSBIE. Par conséquent, les atomes qui occupent le joint de grains sont dans un état d’énergie plus élevé que d’habitude – ils préféreront idéalement se serrer à l’intérieur des cristallites plutôt que dans leurs interfaces. Cet excès d’énergie provient du fait que le cristal s’efforce d’expulser les joints de grains. Les grains ont par conséquent tendance à croître, idéalement jusqu’à la taille d’un monocristal.
Une nouvelle approche thermodynamique pour réduire l’énergie excédentaire
Pour surmonter les problèmes fondamentaux de stabilité des alliages nanocristallins à haute température, les chercheurs du projet ont utilisé une approche appelée «stabilisation thermodynamique par ingénierie d’interface» qui repose sur la ségrégation(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Dor Amram explique le principe qui sous-tend ce concept: «La ségrégation d’un soluté aux joints de grains produit une section de matériau de composition discrète et possédant son propre ensemble de propriétés qui peuvent avoir un impact positif ou négatif sur les propriétés globales du matériau. Fait important, ces “zones” à concentration accrue (ou réduite) de soluté peuvent réduire l’énergie excédentaire des joints de grains, de sorte que le cristal ne “désire” plus les éliminer. La force entretenant la croissance des grains devient nulle, et l’alliage nanocristallin est alors thermiquement stable.» «Nos résultats remettent en question le vieil adage académique qui associe l’accélération de la croissance des grains et la réduction de la résistance de l’alliage nanocristallin à l’augmentation des températures. La diminution de la taille des grains à des températures élevées ouvre un monde de possibilités en matière de conception des matériaux, en particulier pour les applications qui exigent des matériaux extrêmement résistants à de très hautes températures», ajoute Dor Amram.
Une meilleure alternative à la stabilisation cinétique
Le mécanisme régissant la stabilité thermique des matériaux nanocristallins n’est pas uniquement thermodynamique, il est également cinétique, ce que nous savons de longue date. La stabilisation cinétique des matériaux nanocristallins implique la dispersion de particules secondaires de différentes phases dans l’alliage. Ces particules servent d’«ancres», qui retardent ou empêchent le mouvement des joints de grains. Cette approche offre peu d’avantages car elle ne prend pas en compte la force motrice du système pour la croissance des joints de grains. «Cela n’est pas très utile. Le matériau finira par trouver sa voie pour augmenter la taille du joint de grains», explique Dor Amram. Les résultats du projet remettent en question les recherches fondamentales sur les joints de grains dans les matériaux nanocristallins. «Les joints de grains ayant une énergie nulle (ou négative) constituent un sujet polémique et controversé dans la communauté des sciences des matériaux. Les travaux théoriques et les simulations peuvent aller à l’encontre de nos résultats, mais nous avons démontré expérimentalement que cela est vraiment possible», conclut Dor Amram.
