Des alliages de magnésium pour fabriquer des véhicules plus légers

Des chercheurs de l’EPFL ont développé des modèles d’alliages de magnésium pour comprendre comment le rendre déformable. Ce métal, le plus léger sur terre, pourrait alors être utilisé dans la construction de véhicules moins lourds, consommant donc moins d’énergie. Il doit toutefois pouvoir être rendu plus malléable pour être travaillé. Allégez une voiture de seulement 100 kilos et vous augmenterez son efficacité énergétique par 3,5%. Réduire le poids des transports est un défi partagé par de nombreuses industries, comme celle automobile ou aéronautique. La réponse pourrait se trouver du côté du magnésium, ce métal abondamment disponible sur terre et quatre fois plus léger que l’acier. Mais il est très difficilement déformable à l’état pur et ne peut être utilisé tel quel. Les chercheurs du Laboratoire de modélisation mécanique multi-échelle ont développé un modèle pour prédire le comportement de ce matériau une fois mélangé à différents éléments, afin de déterminer quels alliages pourraient lui conférer cette capacité de déformation nécessaire à son utilisation en industrie. Ces résultats sont publiés dans la revue Science.

Des alliages malléables et légers

«En ajoutant au magnésium une très faible quantité d’atomes de certains matériaux, comme les terres rares, le calcium ou le manganèse, il devient beaucoup plus malléable, explique William Curtin, Professeur à la Faculté des Sciences et Techniques de l’Ingénieur. Nous avons donc cherché à comprendre ce qui se passait au niveau atomistique après ces mélanges, afin de déterminer quels éléments ajouter et dans quelle quantité pour qu’il devienne déformable.» Car si sa légèreté le rend très convoité dans la construction d’objets industriels, le magnésium possède également une très faible ductilité. «Cela signifie qu’il se brise facilement en cas de déformation, souligne William Curtin. Il ne peut donc pas encore remplacer l’acier ou de l’aluminium.» L’objectif était également de trouver des matériaux peu chers et disponibles facilement pour être mélangés au magnésium. Les terres rares, comme l’Yttrium ou le Cérium, très efficaces, ne répondant pas à ces critères. L’équipe des chercheurs avaient déjà pu identifier les propriétés physiques rendant le magnésium pur peu déformable. Il était également connu que l’ajout de certains éléments pouvait le rendre plus malléable. Mais ils ne comprenaient pas le phénomène physique qui se produisait, et ne pouvaient donc pas utiliser leurs connaissances pour prédire les meilleurs alliages. «Dans le domaine de la métallurgie, des alliages d’acier ou d’aluminium avec d’autres éléments sont constamment testés pour arriver à des solutions plus légères, plus solides ou plus malléables», indique le chercheur. Mais dans le cas de la ductilité, les mécanismes sont encore largement incompris, et les différents mélanges restent développés de manière expérimentale. Les deux images montrent les configurations atomiques initiales et finales du processus « cross-slip » en présence de deux atomes d’Yttrium. Les atomes bleus sont des atomes de Mg qui sont presque dans une structure cristalline parfaite. Les atomes jaunes sont des atomes de Mg qui sont loin d’une structure cristalline parfaite, et indiquent ainsi la structure et les atomes impliqués dans le défaut de « dislocation« . Les atomes rouges sont deux solutés Y.

Observer le métal au niveau atomistique

Les chercheurs de l’EPFL ont donc étudié les interactions atomistiques lorsque quelques atomes de différents éléments sont ajoutés au magnésium pur. Ils ont ainsi pu observer que certains ajouts créent un nouveau processus, «annulant» en quelque sorte le mécanisme rendant le magnésium peu déformable. La faible ductilité du magnésium est en effet due à des «dislocations» mobiles, à savoir les défauts linéaires présents dans le métal. Ce phénomène empêche le métal d’être modelé sans se casser. Y mélanger certains métaux permet de multiplier le nombre de «dislocations» mobiles très rapidement, conférant à l’alliage une capacité de déformation. Les scientifiques ont ensuite passé plusieurs mois à calculer en mécanique quantique les différentes combinaisons avec de nombreux atomes différents, afin démontrer quels mélanges permettent d’atteindre une meilleure ductilité. Des expériences rendues possibles grâce aux facilités de «High Performance Computing», mis à disposition par l’EPFL. «Nous avons été extrêmement chanceux. Avoir accès à ces équipements signifie que nous avons pu commencer à travailler immédiatement», ajoute le William Curtin.

Du modèle à la fabrication

Ces alliages ont pour l’heure été développés sous forme de modèles. Les chercheurs devront passer à la fabrication en laboratoire, afin de vérifier s’ils possèdent toutes les propriétés exigées par l’industrie et s’ils peuvent être produits à large échelle.

Auteur: Clara Marc

"Mechanistic Origin and Prediction of Enhanced Ductility in Magnesium Alloys", Science, Zhaoxuan Wu, Rasool Ahmad, Binglun Yin, Stefanie Sandlöbes, W. A. Curtin