Depuis près de 100 ans, les scientifiques pensaient qu'ils comprenaient tout ce qu'il y avait à savoir sur la façon dont les métaux se pliaient. Ils avaient tord.

Des chercheurs en science des matériaux et en génie de l'Université du Wisconsin-Madison ont démontré que les règles du cintrage des métaux ne sont pas si dures et rapides après tout. Ils ont décrit leurs découvertes le 9 août dans le journal Communication Nature .

Leur découverte surprenante bouleverse non seulement les notions antérieures sur la façon dont les métaux se déforment, mais pourrait aider à guider la création de plus forts, matériaux plus durables.

« Cela crée de nouvelles opportunités pour la conception de matériaux, " dit Izabela Szlufarska, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW-Madison. "Cela ajoute un autre paramètre que nous pouvons contrôler pour permettre la résistance et la ductilité."

La ductilité est la capacité d'un métal à se plier. La plupart des approches pour augmenter la résistance d'un métal le font au détriment de la flexibilité - et comme les métaux deviennent plus résistants à la flexion, ils sont plus susceptibles de se fissurer sous la pression.

Cependant, le nouveau mécanisme de flexion des chercheurs pourrait permettre aux ingénieurs de renforcer un matériau sans courir le risque de fractures.

C'est une avancée qui intéresse particulièrement l'armée américaine, qui a un besoin urgent de matériaux solides et durables afin d'assurer la sécurité des troupes dans les zones de combat.

"Le professeur Szlufarska a ouvert un tout nouveau domaine d'exploration pour le traitement et la conception des matériaux de structure, " a déclaré Michael Bakas, responsable du programme de synthèse et de traitement au Army Research Office du US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory. "En faisant une découverte à fort impact, Le professeur Szlufarska a potentiellement jeté les bases techniques du développement d'une nouvelle génération de matériaux structurels avancés qui pourraient éventuellement être utilisés dans les futurs équipements et véhicules de l'armée. »

Les ingénieurs manipulent généralement la résistance d'un métal grâce à des techniques telles que le travail à froid ou le recuit, qui exercent leurs effets à travers de petits, pourtant important, irrégularités structurelles appelées luxations.

"Tout le monde dans la communauté des métaux sait que les dislocations sont critiques, " dit Szlufarska.

C'est un truisme qui dure depuis 1934, lorsque trois chercheurs ont réalisé indépendamment que la dislocation expliquait un paradoxe séculaire :les métaux sont beaucoup plus faciles à plier que leurs structures moléculaires - qui prennent généralement la forme de grilles tridimensionnelles régulièrement répétées - le suggèrent.

Les dislocations sont de minuscules irrégularités dans le réseau cristallin par ailleurs bien ordonné d'un métal. Ils résultent de légères discordances :imaginez les pages d'un livre comme des rangées d'atomes, et imaginez comment la pile de papier soignée devient très légèrement déformée à l'endroit où quelqu'un insère un signet.

Les métaux normaux se plient parce que les dislocations peuvent se déplacer, permettant à un matériau de se déformer sans déchirer chaque liaison à l'intérieur de son réseau cristallin à la fois.

Les techniques de renforcement restreignent généralement le mouvement des luxations. Ce fut donc tout un choc lorsque Szlufarska et ses collègues ont découvert que le matériau cobalt samarium - connu sous le nom d'intermétallique - se pliait facilement, même si ses luxations étaient verrouillées.

« On croyait que les matériaux métalliques seraient intrinsèquement fragiles si le glissement de dislocation est rare, " dit Hubin Luo, un ancien scientifique du laboratoire de Szlufarska qui travaille maintenant à l'Institut de technologie industrielle de Ningbo en Chine. "Toutefois, notre étude récente montre qu'un intermétallique peut être déformé plastiquement d'une quantité significative même lorsque le glissement de dislocation est absent."

Au lieu, la flexion du samarium cobalt a provoqué la formation de bandes étroites à l'intérieur du réseau cristallin, où les molécules ont pris une configuration "amorphe" de forme libre au lieu de la régulière, structure en forme de grille dans le reste du métal.

Ces bandes amorphes permettaient au métal de se plier.

"C'est presque comme une lubrification, " dit Szlufarska. " Nous l'avons prédit dans des simulations, et nous avons également vu les bandes de cisaillement amorphes dans nos études de déformation et nos expériences de microscopie électronique à transmission."

Une combinaison de simulations informatiques et d'études expérimentales était essentielle pour expliquer le résultat déroutant, c'est pourquoi Szlufarska et son groupe étaient exceptionnellement aptes à percer le mystère.

« Il est souvent plus facile de faire des simulations théoriques pour expliquer des résultats expérimentaux existants, " dit Hongliang Zhang, un chercheur postdoctoral UW-Madison. "Ici, nous avons d'abord prédit théoriquement l'existence de bandes de cisaillement et leur rôle dans la plasticité du samarium cobalt; c'étaient des phénomènes tout à fait surprenants. Nous avons ensuite confirmé ces résultats expérimentalement avec de nombreux types d'expériences différentes pour tester notre théorie et nous assurer que le phénomène prédit peut effectivement être observé dans la nature."

Les chercheurs prévoient de rechercher d'autres matériaux qui pourraient également se plier de cette manière particulière. Finalement, ils espèrent utiliser le phénomène pour ajuster les propriétés d'un matériau en termes de résistance et de flexibilité.

« Cela pourrait changer la façon dont vous recherchez l'optimisation des propriétés des matériaux, " dit Szlufarska. " Nous savons que c'est différent, nous savons que c'est nouveau, et nous pensons pouvoir l'utiliser."