Un alliage est généralement un métal auquel sont ajoutés quelques pour cent d'au moins un autre élément. Certains alliages d'aluminium ont une propriété apparemment étrange.

"Nous savons que les alliages d'aluminium peuvent devenir plus résistants en étant stockés à température ambiante - ce n'est pas une nouvelle information, " dit Adrien Lervik, un physicien à l'Université norvégienne des sciences et de la technologie (NTNU).

Le métallurgiste allemand Alfred Wilm a découvert cette propriété en 1906. Mais pourquoi cela se produit-il ? Jusqu'à présent, le phénomène a été mal compris, mais maintenant Lervik et ses collègues de NTNU et SINTEF, le plus grand institut de recherche indépendant de Scandinavie, ont abordé cette question.

Lervik a récemment terminé son doctorat au département de physique de NTNU. Son œuvre explique une part importante de ce mystère. Mais d'abord un petit historique, parce que Lervik a aussi creusé dans la préhistoire.

« À la fin des années 1800, Wilm a travaillé pour essayer d'augmenter la résistance de l'aluminium, un métal léger qui était devenu disponible récemment. Il a fondu et coulé un certain nombre d'alliages différents et testé différentes vitesses de refroidissement courantes dans la production d'acier afin d'obtenir la meilleure résistance possible, " dit Lervik.

Un week-end par beau temps, Wilm a décidé de faire une pause dans ses expériences et de prendre plutôt un week-end matinal pour naviguer le long de la rivière Havel.

"Il est retourné au laboratoire lundi et a continué à effectuer des tests de traction d'un alliage composé d'aluminium, cuivre et magnésium qu'il avait commencé la semaine précédente. Il a découvert que la résistance de l'alliage avait considérablement augmenté au cours du week-end.

Cet alliage était simplement resté à température ambiante pendant ce temps. Le temps avait fait le travail que toutes sortes d'autres méthodes de refroidissement ne pouvaient pas faire.

Aujourd'hui, ce phénomène est appelé vieillissement naturel.

Le métallurgiste américain Paul Merica a suggéré en 1919 que le phénomène devait être dû à de petites particules des divers éléments qui forment une sorte de précipitation dans l'alliage. Mais à cette époque, aucune méthode expérimentale ne pouvait le prouver.

"Ce n'est que vers la fin des années 1930 que la méthode de diffraction des rayons X a pu prouver que les éléments d'alliage s'accumulaient en petits amas à l'échelle nanométrique, " dit Lervik.

L'aluminium pur se compose de beaucoup de cristaux. Un cristal peut être vu comme un bloc de feuilles de grille, où un atome se trouve dans chaque carré de la grille. La force est mesurée par la résistance des feuilles à glisser les unes sur les autres.

Dans un alliage, un petit pour cent des carrés sont occupés par d'autres éléments, rendant un peu plus difficile pour les feuilles de glisser les unes sur les autres et résultant en une résistance accrue.

Comme Lervik l'explique, "Un agrégat est comme une petite goutte de peinture dans le bloc de grille. Les éléments d'alliage s'accumulent et occupent quelques dizaines de carrés voisins qui s'étendent sur plusieurs feuilles. Avec l'aluminium, ils forment un motif. Ces gouttes ont une structure atomique différente de celle de l'aluminium et rendent le glissement des dislocations plus difficile pour les feuilles dans le bloc de grille."

Les agrégats d'éléments d'alliage sont appelés « clusters ». Dans le langage technique, ils sont appelés zones de Guinier-Preston (GP) du nom des deux scientifiques qui les ont décrits pour la première fois. Dans les années 1960, il est devenu possible de voir les zones GP au microscope électronique pour la première fois, mais il a fallu jusqu'à présent pour les voir au niveau d'un seul atome.

"Dans les années récentes, de nombreux scientifiques ont exploré la composition des agrégats, mais peu de travail a été fait pour comprendre leur structure nucléaire. Au lieu, de nombreuses études se sont concentrées sur l'optimisation des alliages en expérimentant le vieillissement à différentes températures et pour différentes durées, " dit Lervik.

Le durcissement par vieillissement et la création de mélanges métalliques forts sont clairement très importants dans un contexte industriel. Mais très peu de chercheurs et de personnes dans l'industrie se sont vraiment souciés de la composition réelle des clusters. Ils étaient tout simplement trop petits pour être prouvés.

Lervik et ses collègues pensaient différemment.

"Avec nos méthodes expérimentales modernes, nous avons réussi à prendre des photos au niveau atomique des amas avec le microscope électronique à transmission à Trondheim pour la première fois en 2018, " dit Lervik.

« Lui et son équipe ont étudié les alliages d'aluminium, zinc et magnésium. Celles-ci deviennent de plus en plus importantes dans les industries automobile et aérospatiale. »

L'équipe de recherche a également déterminé la composition chimique des amas à l'aide de l'instrument de tomographie par sonde atomique récemment installé à NTNU. Le programme d'infrastructure du Research Council of Norway a rendu cette découverte possible. Cet investissement a déjà contribué à de nouvelles connaissances fondamentales sur les métaux.

Les chercheurs ont étudié des alliages d'aluminium, zinc et magnésium, connus sous le nom d'alliages Al de la série 7xxx. Ces alliages de métaux légers prennent de plus en plus d'importance dans les industries automobile et aérospatiale.

"Nous avons trouvé des amas d'un rayon de 1,9 nanomètre enfouis dans l'aluminium. Bien que nombreux, ils sont difficiles à observer au microscope. Nous n'avons réussi à identifier la structure atomique que dans des conditions expérimentales particulières, " dit Lervik.

C'est en partie la raison pour laquelle personne n'a fait cela auparavant. La réalisation des expériences est délicate et nécessite un équipement expérimental moderne et avancé.

« Nous avons constaté à plusieurs reprises à quel point cela était délicat. Même si nous avons réussi à prendre une photo des grappes et pu extraire des informations sur leur composition, il a fallu plusieurs années avant que nous comprenions suffisamment pour pouvoir décrire la structure nucléaire, " dit Lervik.

Alors, qu'est-ce qui rend ce travail si spécial ? Autrefois, les gens ont supposé que les agrégats sont constitués des éléments d'alliage, de l'aluminium et peut-être des vides (carrés vides) disposés plus ou moins aléatoirement.

"Nous avons découvert que nous pouvons décrire tous les clusters que nous avons observés sur la base d'une figure spatiale géométrique unique appelée" octaèdre de cube tronqué, '" dit Lervik.

Ici, toute personne sans formation en physique ou en chimie peut vouloir parcourir les sections suivantes ou passer directement au titre du milieu « Important pour comprendre le traitement thermique ».

Pour comprendre l'illustration ci-dessus, il faut d'abord accepter qu'un cristal d'aluminium (bloc carré) puisse être visualisé comme un empilement de cubes, chacun avec des atomes sur les 8 coins et 6 côtés.

Cette structure est un réseau cubique à centres latéraux atomiques. La figure géométrique est comme un cube, avec une coque extérieure formée à partir des cubes environnants. Nous le décrivons comme trois coquilles autour du cube central :une pour les côtés, un pour les coins et la coque extérieure. Ces coquilles se composent de 6 zinc, 8 atomes de magnésium et 24 atomes de zinc, respectivement.

Le milieu du corps (cube) peut contenir un atome supplémentaire - un " interstitiel " - qui dans cette illustration peut être décrit comme étant situé entre les espaces (carrés) d'aluminium.

Ce chiffre unique explique en outre toutes les unités de cluster plus grandes par leur capacité à se connecter et à se développer dans trois directions définies. L'image explique également les observations précédemment rapportées par d'autres. Ces unités de cluster contribuent à augmenter la résistance lors du durcissement par vieillissement.

Important pour comprendre le traitement thermique

"Pourquoi est-ce cool? C'est cool parce que le vieillissement naturel n'est généralement pas la dernière étape du traitement d'un alliage avant qu'il ne soit prêt à être utilisé, " dit Lervik.

Ces alliages subissent également un traitement thermique final à des températures plus élevées (130-200°C) pour former des précipités plus gros avec des structures cristallines définies. Ils lient encore plus étroitement les plans atomiques (feuilles) et le renforcent considérablement.

"Nous pensons que comprendre la structure atomique des amas formés par le vieillissement naturel est essentiel pour mieux comprendre le processus de formation des précipités qui déterminent une grande partie des propriétés du matériau. Les précipités se forment-ils sur les amas ou les amas se transforment-ils en précipités pendant traitement thermique ? Comment l'optimiser et l'exploiter ? Nos travaux futurs tenteront de répondre à ces questions, " dit Lervik.