Images au microscope de la structure cristalline de l’alliage de chrome, de cobalt et de nickel, qui empêche les fissures (zone sombre) de se propager.

Un alliage simple a remporté le titre de matériau le plus résistant jamais enregistré. Dans une nouvelle étude, une équipe dirigée par des chercheurs du Berkeley Lab a soumis l’alliage à une série de tests et a découvert non seulement son incroyable ténacité, mais aussi une résistance et une ductilité élevées qui s’améliorent à des températures plus basses, contrairement à la plupart des matériaux connus.

L’alliage en question contient du chrome, du cobalt et du nickel (CrCoNi), et il appartient à une classe de métaux appelés alliages à haute entropie (HEA : High Entropy Alloys). La plupart des alliages sont constitués d’un élément dominant auquel sont ajoutées de petites quantités d’autres éléments, mais les HEA contiennent des quantités égales de chaque élément. Cela peut leur conférer des propriétés impressionnantes, telles que des rapports résistance/poids élevés, un module d’élasticité qui augmente avec la température, ou encore une ultra-résistante et une ductilité.

Lors de travaux précédents, les chercheurs ont constaté que le CrCoNi présentait une résistance et une ténacité élevées à des températures basses, de l’ordre de -196 °C. Pour la nouvelle étude, l’équipe a cherché à savoir comment il résisterait à des températures encore plus basses, de -253 °C, auxquelles l’hélium existe à l’état liquide. Et comme de juste, sa résistance a atteint de nouveaux sommets en empêchant la propagation des fissures.

« La ténacité de ce matériau à des températures proches de celles de l’hélium liquide atteint jusqu’à 500 mégapascals par mètre carré », a déclaré Robert Ritchie, cochercheur principal de l’étude. « Dans les mêmes unités, la ténacité d’un morceau de silicium est de 1, celle de la cellule en aluminium des avions de tourisme est d’environ 35, et celle de certains des meilleurs aciers est d’environ 100. Donc, 500, c’est un chiffre stupéfiant ».

Images au microscope de la structure cristalline de l’alliage CrCoNi, ainsi qu’un essai d’une variante avec du manganèse et du fer (CrMnFeCoNi)

Normalement, les matériaux deviennent plus fragiles à des températures plus basses. L’équipe a donc cherché à savoir comment le CrCoNi pouvait si bien résister. Ils ont utilisé plusieurs types de microscopie pour sonder la structure du réseau cristallin de l’alliage soumis à la force.

Il s’avère que le CrCoNi obtient sa résistance au froid grâce à une série d’interactions atomiques qui se produisent dans une séquence spécifique. Les imperfections des cristaux sont déplacées par la force appliquée jusqu’à ce qu’elles créent des obstacles qui augmentent la résistance à cette force. La dernière étape du processus fait passer la structure cristalline de cubique à hexagonale.

Selon l’équipe, la résistance du matériau face à des températures incroyablement froides pourrait le rendre utile pour les objets fonctionnant dans des environnements extrêmes comme l’espace lointain.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070

https://newscenter.lbl.gov/2022/12/08/say-hello-to-the-toughest-material-on-earth/