Réduisez seulement 100 kilogrammes du poids d'une voiture et vous augmenterez son efficacité énergétique d'environ 3,5 %. Crédit :iStock
Des chercheurs de l'EPFL ont développé des modèles d'alliages de magnésium pour comprendre comment rendre le métal plus souple. Le magnésium est le métal le plus léger sur terre, mais il ne peut pas facilement être façonné sous des formes utilisables. Les chercheurs espèrent qu'avec les modèles conduiront à la découverte de nouvelles, alliages plus malléables, afin que les constructeurs automobiles puissent fabriquer des véhicules plus légers et moins énergivores.
Réduisez seulement 100 kilogrammes du poids d'une voiture et vous augmenterez son efficacité énergétique d'environ 3,5 %. Fabriquer des machines et des équipements plus légers est un objectif des fabricants dans des secteurs allant de l'automobile à l'aérospatiale. Et la clé pourrait être simplement le magnésium - un métal qui n'est pas seulement quatre fois plus léger que l'acier, mais est aussi facile à trouver. Le problème est que le magnésium pur est difficile à étirer et à former et ne peut donc pas être utilisé tel quel. Donc, des chercheurs du Laboratoire de modélisation mécanique multi-échelles de l'EPFL ont développé un modèle pour prédire le comportement du métal lorsqu'il est mélangé à différents éléments afin de déterminer quel type d'alliage fournit la capacité de déformation nécessaire aux applications industrielles. Leurs recherches ont été publiées aujourd'hui dans Science .
Briquet, alliages plus malléables
"Le magnésium devient beaucoup plus malléable si vous ajoutez quelques atomes de métaux des terres rares, calcium, ou manganèse, " dit William Curtin, professeur à l'École d'ingénieurs de l'EPFL. "Nous voulions comprendre ce qui se passe dans ces alliages au niveau atomique, afin que nous puissions identifier quels éléments ajouter et en quelle quantité rendre le métal malléable." Le magnésium peut être apprécié pour son poids ultra-léger, mais il a également une très faible ductilité. "Cela signifie qu'il peut se casser facilement s'il est déformé, et donc il ne peut pas encore remplacer l'acier ou l'aluminium, " dit Curtin. La solution est de trouver à bas prix, minéraux facilement disponibles qui peuvent être utilisés pour créer des alliages de magnésium. Les métaux des terres rares comme l'yttrium et le cérium sont très efficaces mais ne répondent pas à ces critères par ailleurs.
Les deux figures montrent les configurations atomiques initiale et finale du processus de « glissement croisé » en présence de deux atomes d'Yttrium. Les atomes bleus sont des atomes de Mg qui sont presque dans l'environnement cristallin parfait de Mg, les atomes jaunes sont des atomes de Mg qui sont loin de l'environnement cristallin parfait de Mg, et ainsi indiquer la structure et les atomes impliqués dans le défaut de "dislocation". Les atomes rouges sont deux solutés Y. Crédit :Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Ces chercheurs ont précédemment identifié les propriétés physiques qui rendent le magnésium pur difficile à façonner. Il était bien connu que l'ajout de certains éléments peut le rendre plus malléable. Mais les chercheurs n'ont pas une bonne compréhension des mécanismes physiques en cours, ce qui signifie qu'ils ont du mal à prédire quels seraient les meilleurs alliages. "Les ingénieurs conçoivent et testent souvent de nouveaux alliages d'acier et d'aluminium, les métaux les plus couramment utilisés, développer plus léger, composés plus solides ou plus malléables, " dit Curtin. Mais les facteurs affectant la ductilité d'un alliage restent un mystère et de nombreux matériaux sont encore développés expérimentalement.
Étudier les métaux à l'échelle atomique
Les chercheurs de l'EPFL ont étudié les interactions entre les atomes de magnésium et les atomes des éléments ajoutés pour fabriquer les alliages. Ils ont découvert que certains atomes déclenchent un processus qui « annule » le mécanisme qui rend le magnésium difficile à façonner. La faible ductilité du magnésium est due à son faible nombre de luxations mobiles, qui sont les défauts linéaires qui font couler plastiquement les métaux et qui les rendent moins susceptibles de se casser lorsqu'ils sont déformés. Les chercheurs ont découvert que l'ajout de certains éléments augmente considérablement le nombre de dislocations mobiles et améliore donc la capacité de déformation du métal. Ils ont ensuite passé plusieurs mois à utiliser le système de calcul à haute performance de l'EPFL pour calculer via la mécanique quantique quelles combinaisons d'atomes donnent la ductilité la plus élevée. « Nous avons eu beaucoup de chance d'avoir accès à cet équipement, qui nous permet de commencer à travailler tout de suite, " dit Curtin.
Pour l'instant, les alliages sont encore au stade de la modélisation. La prochaine étape sera la fabrication en laboratoire pour voir s'ils ont les bonnes propriétés pour une utilisation industrielle et peuvent être fabriqués à grande échelle.
