Acier mince - solide et sûr
Un matériau composé d'un petit nombre de composants facilement disponibles est très résistant à la traction tout en étant fortement déformable.
Les concepteurs d'acier doivent jusqu'à présent faire un choix : Soit ils augmentent la résistance à la traction du matériau et acceptent généralement que leur matériau devienne relativement fragile. Ou bien ils misent sur le fait que l'acier peut être fortement étiré et absorber ainsi beaucoup d'énergie en cas d'accident, et la résistance en souffre. S'ils veulent optimiser ces deux propriétés, ils doivent jusqu'à présent mélanger de nombreux éléments, souvent chers et peu disponibles, dans l'acier et le transformer de manière complexe. Une équipe internationale, à laquelle ont également participé des scientifiques de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le fer, a désormais trouvé une solution à ce dilemme. Ils ont mis au point un acier qui contient un petit nombre d'éléments relativement disponibles et qui est à la fois très résistant à la traction et déformable. Le matériau peut absorber deux fois plus d'énergie que les aciers courants actuels et pourrait donc être utilisé dans les automobiles par exemple.
Résistance à la traction des deux aciers à martensite structurée (alliages forgés A et B) par rapport à d'autres aciers à ultra haute résistance.
© Science, Volume 379, Issue 6628
Véhicules, bâtiments, infrastructures - tout est inimaginable sans acier. Toutefois, l'acier utilisé doit présenter des caractéristiques très différentes selon l'application. C'est pourquoi il existe environ 2500 types d'acier sur le marché, et que de nouveaux sont constamment développés ou des types d'acier existants optimisés. Actuellement, les scientifiques spécialisés dans les matériaux tentent d'optimiser principalement trois propriétés : La durabilité, la résistance et la malléabilité. En même temps, ils doivent tenir compte des coûts de fabrication et de l'applicabilité industrielle des aciers développés et s'éloigner des éléments d'alliage critiques, c'est-à-dire développer des alliages chimiquement minces qui se contentent d'éléments bon marché et plus durables. Une équipe de chercheurs, principalement de l'université chinoise Northeastern et de l'Institut Max Planck de Düsseldorf pour la recherche sur le fer, a utilisé une nouvelle approche pour améliorer les propriétés des aciers au manganèse moyen, qui contiennent relativement peu de manganèse coûteux, mais qui ne sont généralement pas optimaux en termes de résistance à la traction et de ductilité. L'équipe a publié ses derniers résultats dans la revue Science.
"Les aciers à ultra-haute résistance sont par exemple utilisés pour les pièces de sécurité dans les centrales électriques, les avions, les installations industrielles ou encore les carrosseries de voiture. Là, les aciers doivent être solides, mais en même temps pouvoir absorber une grande énergie en cas de déformation", explique Dierk Raabe, directeur de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le fer. "Plus l'énergie absorbée est importante, plus le choc est atténué et les occupants restent protégés". La résistance et la ductilité, c'est-à-dire la déformabilité qui influence la capacité d'absorption d'énergie, ne peuvent toutefois être réunies que de manière limitée. Ainsi, les aciers dits maraging atteignent une résistance très élevée de deux gigapascals, ils sont faciles à travailler et sont utilisés par exemple pour des outils stables à la chaleur. Ils sont toutefois relativement fragiles, donc peu ductiles, et contiennent des éléments d'alliage coûteux, peu durables et disponibles en quantité limitée, comme le cobalt, le nickel, le molybdène ou le titane. En revanche, les aciers dual-phase sont essentiellement constitués d'un composant facilement déformable, mais contiennent des îlots d'un matériau appelé martensite, qui augmente la résistance. Par conséquent, ces aciers présentent une résistance similaire, mais peuvent être allongés de plus de 15 %. Cependant, leur traitement est compliqué et donc coûteux, et ils se déforment de manière irrégulière. Tous les aciers à ultra-haute résistance utilisés ont un point commun : leur structure martensitique n'est pas structurée de manière ciblée au niveau micro. Cette structure augmente certes la résistance, mais réduit la ductilité du matériau en raison de l'absence de structure.
Le traitement optimise la microstructure
"Notre stratégie de conception s'intéresse précisément à ce point faible : la structure de la martensite. Grâce à un forgeage répété, un traitement en conditions cryogéniques et un traitement de trempe et revenu, nous avons pu activer de nombreux micromécanismes qui renforcent le matériau et le rendent plus ductile", explique Raabe. Ainsi, le nouvel acier au manganèse moyen atteint une résistance à la traction de 2,2 gigapascals et peut néanmoins être étiré de 20 pour cent.
Les scientifiques ont analysé l'effet des différentes étapes de la transformation sur la structure du matériau et l'ordre qui en résulte au niveau atomique à l'aide de la microscopie électronique à transmission et à balayage ainsi que de la tomographie au son atomique. Selon eux, le traitement modifie d'une part la microstructure du matériau et provoque d'autre part son plissement en forme de lamelles. "La structure lamellaire rappelle celle d'un acier damassé typique, qui gagne en résistance grâce au pliage et à la combinaison de différents alliages de fer", explique Raabe. Le nouvel acier ne contient en revanche qu'un seul alliage, mais sa structure présente un ordre hiérarchique similaire. La microstructure particulière du matériau peut être obtenue par des procédés industriels courants. L'équipe va donc maintenant essayer de rendre d'autres alliages plus solides et plus ductiles grâce à un tel traitement.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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