Matériaux ultra-durs - Concepts et modélisations

Abstract

Les ultra-durs sont des materiaux qui, comme le diamant ou le nitrure de bore cubique, presentent des proprietes mecaniques et physico-chimiques exceptionnelles. Leur mise en œuvre est a la base des tâches industrielles comme la decoupe, l'abrasion, les forages, etc. Le diamant qui, dans sa forme cubique, est le materiau naturel le plus dur connu, est aussi l'ultra-dur le plus utilise dans l'industrie, comme revetement ou de maniere directe. Sa synthese a l'echelle industrielle, compte tenu du cout prohibitif du diamant naturel, est donc un imperatif. Cependant, aux problemes de couts s'ajoutent des restrictions d'ordre thermochimique. En effet, son usage dans la decoupe et l'usinage de pieces a base de fer est contre-indique compte tenu de son instabilite en temperature (870 K sous oxygene est une temperature effectivement atteinte par friction) conduisant a la degradation non seulement du diamant lui-meme, mais egalement de la piece a usiner (modification locale de la composition chimique par insertion d'atomes de carbone excedentaires). Pour les multinationales telles que General Electric, Sandvik, Norton US, De Beer..., la production de materiaux ultra-durs se chiffre en plusieurs milliards d'euros. Une recherche en amont s'impose donc dans un tel contexte pour mieux comprendre les liens entre proprietes mecaniques, liaison chimique et structure cristalline. L'objectif in fine est d'optimiser l'utilisation des materiaux connus, d'une part, et surtout de pouvoir predire de nouveaux materiaux aux proprietes mecaniques comparables tout en etant moins fragilises dans les conditions d'utilisation, d'autre part. Pour cette raison, et afin de remplacer le diamant dans differentes applications, de nouveaux materiaux ultra-durs ont ete recherches. L'outil numerique dans son aspect predictif vient alors en appui de la synthese par sa determination, en amont, des proprietes physico-chimiques attendues, notamment la durete. Cet article, redige a l'intention de l'ingenieur en sciences des materiaux, s'attache a examiner cette thematique. Les differentes voies possibles de synthese des materiaux ultra-durs sont presentees, ainsi que les differentes approches du concept de durete. La prise en compte de la resistance mecanique aux changements de volume et de forme nous conduira a introduire des notions bien connues des mecaniciens des materiaux (modules de compressibilite et de cisaillement, constantes elastiques...), pour aborder, ensuite, la presentation des nouveaux materiaux ultra-durs et le cadre theorique des calculs.