La ductilité du magnésium enfin expliquée

Le docteur Zhaoxuan Wu et le professeur William Curtin du Laboratory for Multiscale Mechanics Modeling (LAMMM) ont résolu l’énigme scientifique de la faible ductilité du magnésium. Un mystère vieux de 40 ans.

 

 Le magnésium est le métal le plus léger présent sur terre; il pèse 4 fois moins que l’acier et un tiers de moins que l’aluminium. Il est également très largement disponible, étant le huitième élément le plus répandu dans la croute terrestre. Deux caractéristiques qui devraient en faire un matériau idéal pour divers usages, notamment dans l’industrie automobile où l’efficience énergétique est grandement améliorée par une réduction du poids du véhicule. Pourtant, l’utilisation de ce métal reste marginale. «Le magnésium a une faible ductilité, ce qui signifie qu’il se brise facilement en cas de déformation. Il se comporte également de façon inhabituelle, par exemple sa résistance mécanique augmente avec la chaleur, à l’inverse de la majorité des métaux», explique William Curtin. Le directeur de l’institut des matériaux et le Dr. Wu, un collaborateur de longue date du LAMMM rattaché à l’Institute for High Performance Computing de Singapour, ont réussi à démontrer l’origine atomique de la faible ductilité du magnésium. Cette percée, publiée dans la revue Nature, pourrait paver la voie à de nombreuses applications.

 

Des simulations pour expliquer 40 ans d’expérimentations

 

La résolution de ce mystère résulte de plusieurs facteurs : de l’abnégation, une rencontre, et des progrès scientifiques et technologiques concomitants. « J’ai travaillé durant 7 ans sur le magnésium, confie William Curtin. Nous avons connu des succès, mais pas dans les domaines les plus cruciaux. J’étais sur le point d’abandonner, persuadé que nous avions épuisé les pistes de recherches. C’est à ce moment là que le Dr. Wu est arrivé de Singapour, amenant avec lui une motivation exceptionnelle ainsi qu’une palette de compétences techniques indispensables.» Après deux années de collaboration, les chercheurs ont résolu le mystère de la ductilité du magnésium. Ils ont réussi à établir un modèle cohérent qui unifie et explique des décennies d’expérimentations.

 

La résolution de l’énigme a été rendue possible par le développement d’une nouvelle description des interactions atomiques au sein du magnésium, un composant essentiel pour que les modèles expliquent correctement le comportement d’un matériau. « Nous nous sommes basés sur une description peu usitée du magnésium; en modifiant un peu ce modèle nous en avons déduit un potentiel interatomique qui prédisait précisément plusieurs propriétés du magnésium.» Plus important encore, ce nouveau modèle prévoyait avec exactitude la présence de la dislocation de type «c a», qui est essentielle pour expliquer la ductilité particulière du métal. Bien que déjà observée en laboratoire, cette dislocation n’avait pas pu être formellement théorisée auparavant.

 

«Nous menions des simulations au niveau atomique de la dislocation «c a » pour mieux comprendre son mécansime, lorsqu’elle a subitement adopté un comportement étrange.» La structure atomique de la dislocation «c a» a changé, se transformant en plusieurs arrangements distincts empêchant la déformation du métal. Ces arrangements avaient déjà été observés mais leur origine restait un mystère pour la communauté scientifique. Certains n’étaient pas sûrs qu’ils étaient réels et les attribuaient à une anomalie expérimentale. Le travail de Wu et Curtin démontre que ces structures sont intrinsèques au magnésium. Ils montrent sous quelles conditions elles apparaissent, et surtout qu’elles sont plus stables que la structure naturelle «c a». Ils en ont ainsi conclu que c’est la formation inévitable de ces structures de type «c a» qui est à l’origine de la faible ductilité du magnésium.

 

Vers la création d’un magnésium ductile ?

 

«Pour rendre la magnésium malléable, nous devons nous battre contre les forces de la nature», résume le Dr. Wu. S’il n’a pas connaissance d’une solution miracle permettant de prévenir le phénomène, il remarque qu’il est en revanche possible de ralentir le processus de transformation de la dislocation de type «c a». «A température ambiante, la dislocation se produit quasiment instantanément. En revanche, si le magnésium est immergé dans du nitrogène liquide (température de -195.79 ° C), la transformation peut durer des mois voir une année. » Une perspective intéressante: il suffirait de suspendre la transformation pendant quelques secondes pour que le magnésium puisse être utilisé à des fins industrielles.

 

Plusieurs études expérimentales menées en Allemagne ont démontré qu’il est possible d’augmenter la ductilité du magnésium en créant des alliages avec des terres rares, tels que l’yttrium, l’erbium ou l’holonium. William Curtin pense que ces éléments se lient avec la structure "ca" et la stabilisent. La piste est certes prometteuse, mais ces éléments rares sont onéreux et donc peu susceptibles d’être largement utilisés par l’industrie automobile. A cet égard, Curtin et Wu débutent une nouvelle recherche pour déterminer comment ces alliages coûteux, et d’autres plus abordables, peuvent stabiliser la structure «c a ». «Nous devons trouver un compromis entre le coût de l’alliage et la performance du matériau», explique William Curtin.

 

S’il ne peut prédire quand est-ce que le magnésium sera utilisé de façon extensive, le directeur de l’Institut des matériaux estime que sa recherche va permettre de générer de nouvelles idées et de nouvelles approches, car l’origine de la faible ductilité de ce métal n’est plus, désormais, une énigme.

 

 

 

Cette recherche a été menée par le Professeur William Curtin, du Laboratory for Multiscale Mechanics Modeling de l’Institut de génie mécanique de l’EPFL et par le Docteur Zhaoxuan Wu, un collaborateur scientifique du LAMMM rattaché à l’Institute of High Performance Computing (Singapour).

 

Lien vers le texte original : The Origins of High Hardening and Low Ductility in Magnesium

 

Lien vers : le Laboratoire de modélisation mécanique multi-échelle de l’Institut de génie mécanique de l’EPFL.

 

Lien vers: l’Institute of High Performance Computing de l’Agence pour la science, la technologie et la recherche (Singapour).