Des matériaux à la plasticité étonnante

On les pensait frères, ils ne sont finalement que cousins… Bien qu’ayant des structures électroniques très proches, le titane et le zirconium ne se déforment pas de la même façon, contrairement à ce qui était admis jusqu’alors.
C’est le résultat auquel est parvenu une équipe française de recherche (CEA/CNRS/Université de Lyon) qui a notamment bénéficié d’une allocation de 12 millions d’heures de calcul sur le supercalculateur Curie de GENCI dans le cadre de PRACE.
Caractériser finement le comportement plastique de ces métaux constitue un enjeu à la fois scientifique et technologique car les alliages de titane et de zirconium sont couramment utilisés comme matériaux de structure dans l’industrie nucléaire et l’aéronautique.

Comme tous les métaux cristallins, dont les constituants sont assemblés de manière régulière, le titane et le zirconium se déforment principalement sous l’effet du mouvement de défauts appelés dislocations. Comme ils ont des structures électroniques très voisines, les scientifiques avaient tendance à penser que leurs propriétés physiques et mécaniques étaient également semblables, notamment concernant l’évolution des dislocations.

Contre toute attente, un groupe de chercheurs français (CEA/CNRS/Université de Lyon), mené par Emmanuel Clouet, de la Direction de l’énergie nucléaire du CEA (CEA/DEN), vient de démontrer le contraire, en associant expérimentation - observations du déplacement des dislocations dans le titane et le zirconium, sur les moyens du Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales (CNRS/CEMES) - et simulations à l’échelle atomique du cœur de ces mêmes dislocations.

Les chercheurs ont ainsi mis en évidence que les dislocations se propagent de façon différente dans le titane et le zirconium, par une succession de glissements saccadés (rapides puis plus lents) dans le premier et par des glissements fluides dans le second. Pour comprendre cette différence de mobilité, l’équipe a réalisé, en 2014, une série de simulations ab-initio sur les calculateurs de GENCI - Curie au TGCC, Ada à l’Idris et Jade au Cines - pour un total de 800 000 heures afin de modéliser le cœur des dislocations.

Avec les 12 millions d’heures dont ils ont également bénéficié, entre mars 2014 et mars 2015, sur Curie, cette fois dans le cadre de PRACE, les chercheurs ont simulé le mouvement des dislocations et montré que celles-ci peuvent adopter deux configurations différentes, l’une glissant facilement et l’autre difficilement - la première étant prépondérante dans le zirconium et la seconde dans le titane.

Ces travaux, publiés le 20 août 2015 dans la revue Nature Materials, ouvrent la voie à la modélisation fine du comportement plastique des alliages de titane et de zirconium, très utilisés dans l’industrie nucléaire et l’aéronautique.

Ils ont été suffisamment prometteurs pour que l’équipe de chercheurs bénéficie d’une nouvelle allocation PRACE de 12 millions d’heures, jusqu’en mars 2016, toujours sur Curie, afin d’étudier comment les éléments d’addition présents dans les alliages de zirconium et de titane impactent la plasticité.