Résumé :
Une équipe de recherche internationale a découvert que deux alliages expérimentaux à base de niobium et de titane peuvent toujours maintenir une résistance extrêmement élevée aux fissures dans des environnements à températures extrêmement basses proches du zéro absolu. Cette découverte brise la compréhension de longue date de la fragilisation des métaux à basse température dans le domaine de la science des matériaux et ouvre une nouvelle direction pour le développement de matériaux plus fiables pour les futurs dispositifs d'énergie de fusion, les équipements informatiques quantiques, les engins spatiaux et les infrastructures énergétiques à base d'hydrogène.
La plupart des métaux deviennent plus résistants à mesure que les températures baissent, mais ils deviennent également plus susceptibles de se briser. Cela est particulièrement vrai pour les métaux à structure cubique centrée comme le fer, le tungstène et le chrome. Lorsque les températures chutent à des niveaux extrêmement bas, les contraintes qui pourraient autrement être absorbées par flexion ou déformation se transforment souvent en fractures soudaines.
La raison importante de ce phénomène est que l'activité de dislocation au sein du métal est limitée. Les dislocations sont des défauts linéaires dans les structures cristallines qui aident les métaux à se déformer plastiquement lorsqu'ils sont exposés à des forces externes. Cependant, à mesure que la température continue de baisser, ces dislocations deviennent de plus en plus difficiles à déplacer, ce qui fait perdre au matériau sa capacité à soulager les contraintes et devient plus fragile.
Une équipe de recherche dirigée conjointement par l'Université de Californie à Berkeley, le Laboratoire national Lawrence Berkeley et l'Université d'Oxford au Royaume-Uni a découvert que deux alliages expérimentaux à base de niobium et de titane pouvaient éviter ce problème. Même dans un environnement de 20 Kelvin, soit environ moins 253 degrés Celsius (moins 424 degrés Fahrenheit), ils présentent toujours une forte résistance à la fissuration, et il n'y a pas de transition fragile mesurable à la température la plus basse testée expérimentalement.
Pour étudier le comportement de ces matériaux à des températures extrêmement basses, les scientifiques ont mené des expériences à l'aide de l'installation Engin-X de la source de neutrons et de muons ISIS dans l'Oxfordshire, au Royaume-Uni. Ils ont utilisé de l'hélium pour refroidir l'échantillon à environ moins 253 degrés Celsius, puis ont effectué des tests de traction biaxiale sur l'échantillon sous irradiation par faisceau de neutrons pour mesurer avec précision la charge que le matériau pouvait supporter et son étirement avant de se briser.
D'autres observations en microscopie électronique ont révélé le secret de la résistance du matériau. Les chercheurs ont découvert qu'un changement structurel appelé « nanotwins » se produit à proximité des fissures et à l'intérieur de l'alliage. Au cours de ce processus, les zones locales du cristal sont réorganisées pour former une structure symétrique, accompagnée d'une transformation locale de la structure cristalline.
Lorsque ces structures nouvellement formées entrent en contact avec les joints de grains adjacents, elles génèrent des zones locales de contraintes élevées et induisent en outre la génération de nouveaux défauts cristallins. Les nouveaux défauts peuvent continuer à assumer la tâche de déformation plastique, de sorte que le matériau peut continuer à se déformer lorsqu'il est soumis à une contrainte au lieu de se fissurer directement.
Les chercheurs ont comparé ce mécanisme à l'intervention d'urgence du réseau routier lors d'une tempête de neige. Lorsque les routes existantes seront bloquées par la glace et la neige, le système de transport ouvrira de nouvelles routes. De même, lorsque le mouvement conventionnel des dislocations est limité à des températures extrêmement basses, la formation de nanojumeaux crée de nouveaux canaux de déformation qui maintiennent la ténacité du matériau.
L'équipe de recherche a déclaré que ce mécanisme microscopique jusqu'alors sous-estimé révèle une nouvelle façon de résister à la fragilisation à basse température. Dans le passé, la communauté des ingénieurs a toujours pensé qu'il était difficile d'éviter la fragilisation des métaux cubiques centrés sur leur corps à des températures ultra-basses. Cependant, cette étude montre qu'en concevant rationnellement la composition et la microstructure de l'alliage, le matériau peut changer activement de mode de déformation et continuer à absorber et à disperser les contraintes.
Les chercheurs pensent que cette découverte devrait favoriser le développement d'une nouvelle génération de matériaux techniques à basse température dans le futur. Dans les réacteurs à fusion, les systèmes de stockage et de transport d’hydrogène liquide, les détecteurs d’espace lointain et les équipements de technologie quantique, de nombreux composants clés doivent fonctionner à des températures extrêmement basses pendant une longue période. Les matériaux capables de combiner haute résistance et ténacité amélioreront considérablement la fiabilité et la sécurité de ces systèmes technologiques avancés.
Des résultats de recherche pertinents ont été publiés dans la revue universitaire internationale « Nature ». L'équipe de recherche a déclaré que la prochaine étape consistera à explorer si ce mécanisme peut être étendu à davantage de systèmes métalliques et à concevoir de nouveaux alliages techniques adaptés à des environnements plus difficiles.
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