Dans un travail qui pourrait aider à prévenir l'échec de tout, des ponts aux implants dentaires, une équipe dirigée par un chercheur de la Texas A&M University a pris la première image 3D d'une fissure microscopique se propageant à travers un métal endommagé par l'hydrogène.

"Pour la première fois, nous avons pu attraper le crack en flagrant délit, " a déclaré le Dr Michael J. Demkowicz, professeur agrégé au Département de science et d'ingénierie des matériaux de Texas A&M.

Précédemment, la seule façon d'analyser une telle défaillance métallique était de regarder les morceaux séparés d'un composant complètement fracturé, ce qui implique un certain nombre de conjectures. La nouvelle recherche montre ce qui se passe à la pointe de la fissure lorsqu'une pièce commence à se fracturer.

"C'est bien mieux que d'arriver sur les lieux du crime après coup, " a déclaré Demkowicz.

Par conséquent, l'équipe a identifié 10 structures microscopiques qui rendent les métaux plus forts et moins sensibles à un facteur environnemental clé - l'hydrogène qui nous entoure - qui peut les endommager.

Leurs travaux sont publiés dans Communication Nature . Elle a été menée à l'aide de deux outils puissants à la source avancée de photons (APS) du laboratoire national d'Argonne, et représente une étape importante pour l'un de ces outils en tant que première expérience réalisée par des chercheurs en dehors de l'équipe de développement d'Argonne et de l'Université Carnegie Mellon (CMU).

Un problème commun

Les métaux nous entourent dans un certain nombre de structures et d'appareils, mais ils peuvent être affectés négativement par l'hydrogène omniprésent autour de nous, principalement de l'eau.

"L'hydrogène pénètre dans le métal et le fait se fracturer de manière inattendue dans un processus appelé fragilisation par l'hydrogène, " a déclaré John P. Hanson, un ingénieur réacteur à Oklo et premier auteur de l'article.

Un exemple frappant concerne le Bay Bridge à San Francisco. Comme le pont était en construction en 2013, les ingénieurs ont découvert que 32 des 96 énormes boulons de la structure s'étaient fissurés en raison de la fragilisation par l'hydrogène. Le problème a été détecté tôt donc il n'y a pas eu de catastrophe, mais cela retarda de quelques années l'ouverture du pont.

Les scientifiques étudient la fragilisation par l'hydrogène depuis plus de 150 ans, mais cela reste difficile à prévoir.

"C'est en grande partie parce que nous n'avons pas une compréhension complète des mécanismes derrière cela, " dit Hanson, qui a mené le travail tout en obtenant son doctorat du Massachusetts Institute of Technology (MIT).

"Par conséquent, les ingénieurs doivent surconcevoir avec du matériel supplémentaire pour couvrir toute défaillance soudaine et cela coûte cher, " a déclaré le co-auteur Peter Kenesei d'Argonne, qui fait fonctionner les instruments utilisés dans le travail. "Donc, une meilleure compréhension de ce comportement pourrait avoir un impact économique énorme."

Faire des progrès

"On peut progresser sur d'anciens problèmes quand on a de nouveaux outils, " a déclaré Demkowicz. Les chercheurs ont utilisé deux outils synchrotron différents, microscopie à diffraction à haute énergie et tomographie par absorption de rayons X, analyser la structure microscopique d'une fissure dans un superalliage de nickel. L'étude représente la première fois que la technique de microscopie a été utilisée par des chercheurs non impliqués dans son développement. L'outil expérimental et le logiciel d'analyse combinés sont uniques au monde.

Un métal est composé de cristaux microscopiques, ou céréales. Dans les superalliages de nickel, les fractures provoquées par la fragilisation par l'hydrogène se déplacent le long des joints entre ces grains. Hanson a déclaré que les outils uniques de la ligne de lumière APS 1-ID permettent pour la première fois non seulement de regarder les orientations des grains autour d'une fissure en cours, mais aussi les joints de grains. A partir de ces observations, l'équipe a identifié 10 joints de grains plus résistants aux fissures.

« Nous avons pu montrer non seulement quels joints de grains sont les plus forts, mais qu'est-ce qu'il y a exactement chez eux qui améliore leurs performances, ", a déclaré Hanson. Cela pourrait finalement permettre aux ingénieurs de construire des métaux plus solides en les concevant avec ces caractéristiques.

A plus court terme, les outils Argonne pourraient être utilisés pour imager la microstructure des composants métalliques existants afin de mieux prédire leur susceptibilité à la défaillance. Kenesei note que les outils sont déjà utilisés de cette façon pour étudier d'autres matériaux d'ingénierie, comme celles liées aux avions, batteries et réacteurs nucléaires.

Défis extrêmes

L'étude a duré huit ans, principalement parce qu'il impliquait d'énormes quantités de données difficiles à analyser. Les données brutes de l'œuvre rempliraient près de 400 DVD. Plus loin, les données ne ressemblent en rien à un modèle 3D du matériau.

"C'est hautement crypté sous la forme de stries et de points, ou motifs de diffraction, qui doit être analysé par un supercalculateur, " a déclaré Robert M. Suter de l'Université Carnegie Mellon (CMU), un expert de l'analyse.

Pour mettre les défis en perspective, Demkowicz note que la microstructure des fissures est en réalité beaucoup plus compliquée que la structure de l'ADN, que Watson et Crick ont ​​déterminé par le même processus général, mais à la main.