Alliage à haute entropie

Les alliages métalliques classiques comprennent un ou deux composants principaux avec de plus petites quantités d'autres éléments[3]. Par exemple, des éléments supplémentaires peuvent être ajoutés au fer pour améliorer ses propriétés, créant ainsi un alliage à base de fer. L'acier en est un exemple notable où le fer compose généralement plus de 90 % de l'alliage.

Contrairement aux alliages classiques, les alliages à haute entropie sont constitués d'au moins cinq métaux en proportion proche d'équimolaire[3]. En outre, des recherches ont montré que certains HEA présentaient un rapport résistance / poids considérablement supérieur, avec un degré de résistance à la rupture, une résistance à la traction et une résistance à la corrosion et à l'oxydation supérieurs à ceux des alliages classiques. Bien que les HEA existent déjà avant 2004, la recherche s’est considérablement accélérée au cours des années 2010.

Typiquement, lorsque l'on ajoute un élément à un alliage quelconque, il en résulte une complexification du solide formé dû au plus grand nombre de phases disponibles. Il est alors attendu que plusieurs de ces phases soient des microstructures qui seraient souvent assez fragiles. Or, la haute entropie de mélange des alliages à haute entropie permet la formation de structures simples et donc réduit grandement le nombre de phases disponibles[3]. Cette caractéristique est capitale afin d'obtenir de larges domaines et de développer des applications intéressantes pour l'industrie.

La définition exacte reste encore aujourd'hui assez floue malgré la forte augmentation du nombre de recherche sur le sujet.

Historiquement, la première définition est basée sur la composition chimique. L’alliage doit être constitué de cinq métaux ou plus en proportion proche d’équimolaire, c'est-à-dire entre 5 et 35%[4].

Une deuxième définition, se basant sur l'entropie configurationnelle, est également considérée. L'entropie de mélange se calculant grâce à la formule de Boltzman :

${\displaystyle \Delta S_{mix}=-R\sum _{i=1}^{N}c_{i}\ ln\ c_{i}}$

avec R la Constante universelle des gaz parfaits, N le nombre de constituants et c_i la concentration molaire du constituant i.

Ainsi, on distinguera trois niveaux d'entropie[5] :

• Basse entropie lorsque ${\displaystyle \Delta S_{mix}<0.69R}$.
• Moyenne entropie lorsque ${\displaystyle 0.69R<\Delta S_{mix}<1.61R}$.
• Haute entropie lorsque ${\displaystyle \Delta S_{mix}>1.61R}$.

Cependant, ces deux définitions ne sont pas compatibles. Un alliage non équimolaire constitué de 5 éléments entre 5 et 35% sera considéré comme étant à haute entropie selon la première définition et à moyenne entropie selon la deuxième puisque son entropie de mélange sera inférieure à 1.61R[6]

L'alliage de Cantor est l'alliage à haute entropie le plus connu et le plus étudié tirant son nom de l'auteur de la publication qui y fait référence[7]. Il possède la composition suivante : Fe₂₀Co₂₀Cr₂₀Mn₂₀Ni₂₀

Il s'agit d'un alliage monophasé, comportant la structure cubique à faces centrées lui donnant une résistance mécanique plutôt faible et une plasticité élevée. Une caractéristique notable de cet alliage est son comportement aux températures cryogéniques. Une fois refroidi à 77K, des essais de traction montrent qu'une augmentation simultanée de la limité élastique et de la ductilité sont observées[8]. Ce comportement est lié à l'activation d'un nouveau mécanisme de déformation appelé TWIP (twinning induced plasticity en anglais) qui entraîne l'apparition de macles. Ces macles permettent de réduire la taille effective des grains en les scindant en plusieurs morceaux ce qui augmente l'écrouissage et retarde l'apparition de la striction[9].