29/09/2011 - Des chercheurs découvrent la cause de la fragilité des métaux sous certaines conditions

Menéame

Ingénieurs et chercheurs américains de l’Université de Lehigh ont réussi pour la première fois à obtenir des images à l’échelle atomique du processus appelé fragilisation par métal liquide (LME), qui explique la fragilité du métal solide dans certaines circonstances. Ce phénomène, qui a déconcerté les métallurgiques pendant un siècle, pourrait maintenant avoir une solution grâce au renforcement de diverses liaisons chimiques. Pour Pablo Javier Piacente.

La connaissance précise des conditions qui créent une soudaine fragilité dans le métal solide dans certaines conditions, lorsqu'il s’agit d’un matériau préparé pour résister à toutes sortes de pressions, pourrait favoriser le développement de nouveaux liens chimiques avec lesquels surmonter ce problème. C’est ce qu’édicte une recherche menée par des ingénieurs de l’Université de Lehigh aux États-Unis.

La question suivante a constitué une obsession pour l’industrie métallurgique au cours des cent dernières années: pourquoi un métal solide, conçu pour sa ductilité maximale et pour résister à toutes sortes de pressions, devient-il imprévisiblement fragile, avec des conséquences dramatiques pour les structures dans lesquelles il a été employé?

Tout cela est dû à la présence de certaines impuretés du métal liquide, qui déterminent un phénomène connu sous le nom de frigilisation par métal liquide ou LME. Toutefois, les essais pilotes visant à mieux comprendre ce mécanisme ont posé de graves difficultés à son application.

Les températures élevées auxquelles les essais doivent être effectués, en particulier avec des métaux de grande importance industrielle tels que le zinc ou le plomb, entre autres, rendent nécessaire des procédures compliquées. Cependant, un nouveau travail d’ingénieurs de l’Université de Lehigh semble avoir fait des progrès importants à cet égard.

Observation directe du problème

Selon Martin Harmer, professeur de sciences des matériaux et de l’ingénierie à Lehigh, le groupe de recherche dont il est chargé a pour la première fois réussi à observer directement à l’échelle atomique un système métallique en phase de transition, qui se produit pendant le processus de frigilisation par métal liquide.

Les résultats obtenus suggèrent que le renforcement des liens chimiques entre les matériaux présents pourrait déboucher sur une solution pratique à ce problème, qui a une forte incidence sur l’industrie.

Les travaux ont été diffusés par le biais d’un communiqué de presse de l’Université de Lehigh, et dans deux articles publiés par la revue spécialisée Science: "The Role of a Bilayer Interfaceal Phase on Liquid Metal Embrinettlement" et "The Phase Behavior of Interfaces."

Selon les experts, cette avancée permet de mieux comprendre les mécanismes atomiques impliqués dans la fragilisation par métal liquide, en ouvrant la voie à l’optimisation de la capacité de contrôle et d’ajustement des propriétés des métaux et d’autres matériaux au cours de leur fabrication.

L’enquête a été menée dans un premier temps pendant 18 mois, avec le financement de la marine américaine. Le groupe d’ingénieurs et de spécialistes poursuivra ses travaux pour trouver une solution aux divers problèmes liés aux métaux à partir de la LME, avec une subvention de 7,5 millions de dollars par l’intermédiaire de la Multidisciplinary University Research Initiative (MURI).

Une voie vers la solution

Outre les chercheurs de Lehigh, des experts des universités Carnegie-Mellon, Clemson, Illinois et Kutztown participeront à cette deuxième étape du projet. Le premier travail du groupe dirigé par Harmer a porté sur la relation entre le bismuth et le nickel.

Il y a un lien très fort entre le bismuth et le nickel, mais ce qui n’a jamais été clair est la raison pour laquelle cet alliage si puissant est susceptible de la fragilisation. Cependant, l’observation a permis de déterminer que les liens entre les atomes de bismuth sont faibles, ce qui est précisément le début du phénomène qui produit la fragilité.

Les images obtenues, représentant la nature en 3-D du rapport entre le nickel et le bismuth, ont permis de constater que dans la double couche d’atomes de bismuth se trouve la source initiale de la faiblesse à l’échelle atomique de l’alliage. Selon Harmer, la liaison est si faible dans cette couche qu’elle conditionne la fragilité ultérieure de l’alliage.

Pour résoudre ce problème, le groupe prévoit d’expérimenter différents liens chimiques qui permettront de produire un comportement plus ductile et fiable. Par exemple, la combinaison de bismuth avec d’autres éléments pourrait accroître considérablement l’efficacité de l’alliage.

Sources: Tendances de l’ingénierie  / Université de Lehigh

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