Les fissures générées par la fatigue se reconstituent dans les métaux – Physics World

Les fissures générées par la fatigue se reconstituent dans les métaux – Physics World

Horodatage: 21 août 2023 8:00

Photo de Ryan Schoell regardant un écran d'ordinateur dans un laboratoire sombre baigné de lumière laser rouge
Étudier les fissures de fatigue à l'échelle nanométrique : Ryan Schoell, chercheur aux Sandia National Laboratories, utilise une technique spécialisée de microscope électronique à transmission développée par Khalid Hattar, Dan Bufford et Chris Barr pour étudier les fissures de fatigue à l'échelle nanométrique. (Autorisation : Craig Fritz, Sandia National Laboratories)

Des chercheurs des Sandia National Laboratories (SNL) et de la Texas A&M University aux États-Unis ont observé que les fissures dans un métal se raccourcissaient. Cette découverte inattendue – les fissures s’allongent normalement – ​​bouleverse les théories sur la fracture des métaux et pourrait aider à la conception de matériaux capables de « guérir » leurs propres dommages internes.

Lorsque les métaux subissent des contraintes et des déformations de manière répétée, des fissures microscopiques commencent à se former. Ces fissures sont un type de dommage dû à la fatigue et, au fil du temps, elles se développent et se propagent jusqu'à provoquer la rupture de la structure, souvent de manière imprévisible.

On pensait qu'une telle croissance était irréversible, mais des chercheurs dirigés par SNL scientifique et ingénieur en matériaux Brad Boyce constaté que ce n'est pas nécessairement vrai. Dans leur étude, ils ont utilisé un microscope électronique spécialement modifié qui leur a permis de filtrer à plusieurs reprises des échantillons de platine à l’échelle nanométrique tout en observant ce qui se passe à l’intérieur. Comme prévu, ils ont constaté l’apparition de fissures de fatigue à l’échelle nanométrique dès le début de l’expérience. De manière inattendue, cependant, ils ont également vu les extrémités des fissures se refusionner environ 40 minutes plus tard.

"On s'attendait à ce que les fissures s'agrandissent, pas plus petites", explique Boyce. "Même certaines des équations de base que nous utilisons pour décrire la croissance des fissures excluent la possibilité de tels processus de guérison."

Soudage à froid des flancs de fissures

L'équipe SNL ne cherchait pas délibérément cet effet au début de l'expérience, mais après l'avoir observé, les membres ont identifié le processus d'inversion des dommages, ou « auto-guérison », comme une forme de soudage à froid qui se produit sur les flancs des fissures. Cet effet est induit par une combinaison de contraintes locales et de migration des joints de grains, et Michael Demkowicz, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Texas A & M, prédisait en 2013 que c'était possible.

"Lorsque la microstructure du matériau change, elle peut rassembler les forces opposées d'une fissure", explique Demkowicz. « Si ces visages sont propres, ils peuvent se lier et « guérir » par soudage à froid. »

Bien que les chercheurs aient déjà fabriqué des matériaux auto-réparateurs, ceux-ci étaient principalement constitués de plastique et non de métal. Demkowicz a cependant calculé que dans certaines conditions, les métaux devraient être capables de souder les fissures créées par les dommages causés par la fatigue. "Il s'est avéré difficile de proposer une expérience capable de tester ma prédiction, mais les chercheurs du SNL, qui travaillaient en fait à comprendre l'évolution générale des dommages, ont fini par observer par hasard le processus que j'avais théorisé."

À court terme, dit Demkowicz Monde de la physique que les découvertes de l’équipe contribueront à améliorer les théories des fractures des métaux. À plus long terme, ils pourraient conduire à de nouvelles stratégies pour concevoir des métaux résistants aux dommages.

Pour cette étude, détaillée dans Nature, les chercheurs ont effectué leurs mesures sous vide, il n’est donc pas clair si la cicatrisation des fissures peut également se produire dans l’air. Les chercheurs aimeraient maintenant savoir si cela est possible.

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