Des chercheurs développent une approche mécanique quantique unique pour déterminer la ductilité des métaux
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Une équipe de scientifiques du Ames National Laboratory et de la Texas A&M University a développé une nouvelle façon de prédire la ductilité des métaux. Cette approche basée sur la mécanique quantique répond au besoin d’un moyen peu coûteux, efficace et à haut débit pour prédire la ductilité. L’équipe a démontré son efficacité sur des alliages multi-éléments principaux réfractaires. Ce sont des matériaux d’intérêt pour une utilisation dans des conditions de haute température, cependant, ils manquent souvent de ductilité nécessaire pour des applications potentielles dans l’aérospatiale, les réacteurs à fusion et les turbines terrestres.
La ductilité décrit la capacité d’un matériau à résister à une contrainte physique sans se fissurer ni se casser. Selon Prashant Singh, scientifique au Ames Lab et responsable des efforts de conception théorique, il n’existe actuellement aucun moyen robuste de prédire la ductilité du métal. De plus, l’expérimentation par essais et erreurs est coûteuse et prend du temps, en particulier dans des conditions extrêmes.
Une manière typique de modéliser les atomes consiste à utiliser des sphères rigides symétriques. Cependant, Singh a expliqué que dans les matériaux réels, les atomes sont de tailles différentes et ont des formes. Lors du mélange d’éléments avec des atomes de tailles différentes, les atomes s’ajustent continuellement pour s’adapter à l’espace fixe. Ce comportement crée une distorsion atomique locale.
La nouvelle analyse intègre la distorsion atomique locale pour déterminer si un matériau est fragile ou ductile. Il développe également les capacités des approches actuelles. “Ils [current approaches] ne sont pas très efficaces pour faire la distinction entre les systèmes ductiles et fragiles pour de petits changements de composition. Mais la nouvelle approche peut capturer de tels détails non triviaux, car nous avons maintenant ajouté une fonctionnalité de mécanique quantique dans l’approche qui manquait », a déclaré Singh.
Un autre avantage de cette nouvelle méthode de test à haut débit est son efficacité. Singh a expliqué qu’il peut tester rapidement des milliers de matériaux. La vitesse et la capacité permettent de prédire quelles combinaisons de matériaux valent la peine d’être portées au niveau expérimental. Cela minimise le temps et les ressources nécessaires pour découvrir ces matériaux par des méthodes expérimentales.
Pour déterminer dans quelle mesure leur test de ductilité fonctionnait, Gaoyuan Ouyang, un scientifique du laboratoire Ames, a dirigé les efforts expérimentaux de l’équipe. Ils ont effectué des tests de validation sur un ensemble d’alliages multi-éléments principaux réfractaires prédits (RMPEA). Les RMPEA sont des matériaux susceptibles d’être utilisés dans des environnements à haute température, tels que les systèmes de propulsion aérospatiaux, les réacteurs nucléaires, les turbines et d’autres applications énergétiques.
Grâce à leurs tests de validation, l’équipe a découvert que “les métaux ductiles prédits ont subi une déformation importante sous des contraintes élevées, tandis que le métal fragile s’est fissuré sous des charges similaires, confirmant la robustesse de la nouvelle méthode de mécanique quantique”, a déclaré Ouyang.
Cette recherche est discutée plus en détail dans l’article “Une métrique de ductilité pour les alliages à éléments multiples à base réfractaire”, écrit par Prashant Singh, Brent Vela, Gaoyuan Ouyang, Nicolas Argibay, Jun Cui, Raymundo Arroyave et Duane D. Johnson , et publié dans Acta Materialia.
Le laboratoire national d’Ames est un laboratoire national du bureau des sciences du département américain de l’énergie géré par l’université d’État de l’Iowa. Ames Laboratory crée des matériaux, des technologies et des solutions énergétiques innovants. Nous utilisons notre expertise, nos capacités uniques et nos collaborations interdisciplinaires pour résoudre des problèmes mondiaux.
