Mise au point de l'alliage léger ultime pour des voitures plus propres

Note de la rédaction : L’article suivant s’appuie sur une traduction accélérée conforme à la norme ISO 18587, qui rend le sens, mais peut comporter des imperfections. L’article original est reproduit dans la version anglaise de cette page Web.

Des ingénieurs de l'Université de Waterloo ont utilisé des faisceaux de neutrons pour développer un nouvel alliage de magnésium prometteur. En plus d'être rentables, les éléments d'alliage du matériau garantissent une ductilité et une résistance accrues, ce qui ouvre la voie à des véhicules plus légers et plus économes en énergie.

Image : Les voitures fabriquées avec des métaux légers, tels que le magnésium, contribuent à réduire l'impact de la conduite sur l'environnement. (SSAB)

Histoires de recherche | Centre canadien de faisceaux de neutrons (CCFN) | Publié à l'origine le 3 mai 2017

Comparées à leurs homologues plus lourdes, les voitures plus légères nécessitent moins d'énergie pour parcourir la même distance, que cette énergie provienne de batteries, d'hydrogène ou de combustibles fossiles. Par conséquent, les voitures plus légères sont aussi des voitures plus propres, car les économies d'énergie réalisées se traduisent par une réduction des gaz à effet de serre et d'autres polluants. Et parce qu'elles nécessitent moins d'énergie, les voitures plus légères peuvent être converties plus facilement pour utiliser des sources d'énergie autres que l'essence.

La perspective d'alléger les voitures et d'utiliser des carburants alternatifs est l'une des raisons pour lesquelles Ford a récemment investi 1,2 milliard de dollars dans ses installations de recherche et de fabrication au Canada. En fait, tous les grands constructeurs automobiles d'Amérique du Nord et d'Europe poursuivent ces objectifs afin de contribuer à la réalisation de leurs objectifs environnementaux.

Aujourd'hui, une voiture moyenne a besoin d'environ 7,4 litres de carburant pour parcourir 100 kilomètres. Cependant, cette quantité pourrait facilement être réduite à moins de 6 litres en remplaçant les composants en acier de la voiture par des composants en magnésium, car le magnésium est 80 % plus léger que l'acier. En fait, le magnésium est le plus léger de tous les métaux techniques, et c'est donc lui qui présenterait le plus grand potentiel de réduction de poids si un alliage de magnésium aux performances comparables était mis au point.

« Les alliages de magnésium n'ont pas été largement adoptés par les constructeurs automobiles pour des raisons telles que le coût, les limitations de fabrication et les performances », explique le professeur Shahrzad Esmaeili de l'Université de Waterloo. Si tous ces facteurs doivent être pris en compte dans le développement de nouveaux alliages de magnésium pour l'industrie automobile, le premier obstacle consiste à surmonter les limites de la fabrication.

L'une des principales caractéristiques qui déterminent la facilité avec laquelle les fabricants peuvent travailler avec un alliage est la ductilité, c'est-à-dire la mesure dans laquelle l'alliage peut être étiré sans se rompre. « Les alliages de magnésium disponibles sont moins ductiles et leur résistance est généralement inférieure à celle des alliages d'acier ou d'aluminium », explique M. Esmaeili. « Mais nous avons progressé en créant des alliages de magnésium qui atténuent ces problèmes ».

M. Esmaeili était l'un des chercheurs parrainés par le Réseau de magnésium du NSERC (MagNET), un programme quinquennal lancé en 2008 qui rassemble l'expertise des universités, du gouvernement et de l'industrie afin de mettre au point des matériaux en magnésium pour les pièces d'automobile.

Plus précisément, l'équipe s'est concentrée sur l'amélioration de la ductilité et de la résistance d'un alliage de magnésium particulier (c'est-à-dire un alliage de magnésium avec 4 % de zinc). Des études antérieures avaient montré que l'ajout de cérium à un tel alliage magnésium-zinc pouvait améliorer sa ductilité, tandis que d'autres résultats suggéraient que l'incorporation de calcium pouvait augmenter sa résistance. L'équipe d'Esmaeili a donc ajouté de petites quantités (moins de 1 %) de cérium et de calcium à leur alliage afin d'en améliorer les propriétés, le tout sans augmenter de manière significative le coût des matériaux, le cérium et le calcium étant relativement peu coûteux.

« Nous avons testé l'hypothèse selon laquelle l'ajout de cérium et de calcium à l'alliage de magnésium et de zinc combinerait leurs effets positifs », explique Brian Langelier, qui a commencé à travailler avec l'équipe de recherche d'Esmaeili en 2008 en tant qu'étudiant diplômé. « Notre première étude a donné des résultats prometteurs, mais nous devions comprendre plus en détail comment le cérium et le calcium affectaient la texture de l'alliage. C'est alors que nous avons utilisé des neutrons ».

La texture, qui peut avoir un impact majeur sur la ductilité d'un alliage, fait référence à l'orientation des grains de cristal de la taille d'un micron qui composent chaque alliage. Plus précisément, la ductilité d'un alliage tend à être plus grande lorsque ses grains sont orientés de manière aléatoire que lorsqu'ils sont alignés dans la même direction. Pour caractériser la texture de leur nouvel alliage, les chercheurs se sont appuyés sur les faisceaux de neutrons du Centre canadien de faisceaux de neutrons (CNBC), car les neutrons ont la capacité unique de pénétrer profondément à l'intérieur d'un alliage pour déterminer l'orientation de ses grains.

En combinant les résultats de l'analyse par faisceau de neutrons avec ceux de la microscopie électronique, l'équipe d'Esmaeili a publié en 2015 un article démontrant que le cérium et le calcium randomisaient la texture et modifiaient la taille des grains de leur nouvel alliage. En plus de fournir des explications sur les améliorations observées dans la ductilité de l'alliage, les données ont également permis de comprendre comment l'alliage pourrait être optimisé.

Les chiffres des pôles, déterminés par analyse du faisceau de neutrons, indiquent une texture plus « aléatoire » pour l'alliage avec du cérium et du calcium (Mg-Zn-Ce-Ca, à gauche) par rapport à l'alliage sans cérium et sans calcium (Mg-Zn, à droite). Lorsque de nombreux grains sont orientés dans la même direction (indiqués par des taches rouges ou orange), la ductilité est réduite.

Après avoir répondu à de nombreuses questions sur la ductilité de l'alliage, l'équipe d'Esmaeili s'est attaquée à la question de la résistance. Pour ce faire, ils ont adopté une approche de « durcissement par vieillissement », couramment utilisée pour augmenter la résistance de certains alliages d'aluminium. Le durcissement par vieillissement consiste à chauffer le matériau pour provoquer la formation de « particules de durcissement » de taille nanométrique Ces particules contribuent à accroître la résistance d'un matériau en inhibant les mouvements de certains défauts structurels dans les grains lorsque le matériau est exposé à une force importante. Cependant, le durcissement par vieillissement peut également augmenter le potentiel de fracturation si les particules de durcissement ne sont pas réparties uniformément.

L'équipe d'Esmaeili a appliqué le durcissement par vieillissement à une série d'échantillons d'alliages de magnésium et de zinc, dont certains contenaient à la fois du cérium et du calcium, d'autres uniquement du cérium ou du calcium, et d'autres encore n'en contenaient aucun. Les chercheurs ont procédé à des comparaisons systématiques pour comprendre les modifications de la résistance des échantillons à l'aide d'un certain nombre de techniques expérimentales. Ils ont fait part de leurs trois principales conclusions dans une série d'articles publiés en 2015, 2016 et 2017.

Tout d'abord, les chercheurs ont constaté que l'efficacité du durcissement par vieillissement était en fait réduite dans les échantillons où seul le cérium était ajouté par rapport à l'alliage magnésium-zinc d'origine. Cependant, ils ont surmonté cette limitation en concevant une étape de préparation qui a permis d'éliminer cet effet indésirable. Deuxièmement, ils ont constaté que la présence de cérium et de calcium améliorait considérablement l'efficacité du durcissement par vieillissement en augmentant la capacité de l'alliage magnésium-zinc à former des particules de durcissement. Enfin, après avoir examiné la structure microscopique de l'alliage, ils ont conclu que l'ajout de calcium améliore la distribution uniforme de ces particules, ce qui l'aide à résister à la fracturation.

Dans l'ensemble, les informations fournies par ces quatre études constituent une base scientifique permettant de mieux comprendre ces alliages magnésium-zinc et leurs applications potentielles. Mme Esmaeili et ses collègues chercheurs étudient actuellement d'autres méthodes de traitement susceptibles d'améliorer encore les performances de leur alliage en vue d'une utilisation future dans les voitures.

http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2017.01.073

Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.