Depuis que les gens ont commencé à forger et à travailler le métal, ils se sont sans doute intéressés à la façon dont il se brise. Mais ce n'est que depuis les années 1950 que les scientifiques et les ingénieurs disposent d'un cadre mathématique pour utiliser les mesures de laboratoire de la défaillance des matériaux afin de prédire la résistance d'une structure à la fissuration.

"Ces outils fonctionnent bien pour les matériaux cassants, comme le verre, mais souvent pas pour d'autres matériaux, " a déclaré Brad Boyce, un scientifique des matériaux au Sandia National Laboratories.

Les chercheurs qui connaissent les théories existantes ont encore du mal à prédire les fractures dans les matériaux avec des microstructures complexes ou des composants fabriqués avec l'impression 3D. Ils ne fonctionnent pas non plus bien pour les métaux ductiles, comme certains aciers, qui se déforment et s'étirent avant de se fracturer.

Autour du monde, les scientifiques et les ingénieurs des matériaux essaient différentes façons de prédire les fractures dans les métaux ductiles, mais il n'est pas clair quelle approche est la plus précise. Pour comparer les différentes méthodes, Les chercheurs de Sandia ont présenté trois défis volontaires à leurs collègues :Étant donné les mêmes informations de base sur la forme, composition et chargement d'une pièce métallique, pouvaient-ils prédire comment il finirait par se fracturer ?

Un aperçu du troisième Sandia Fracture Challenge a récemment été publié dans un numéro spécial de l'International Journal of Fracture consacré aux résultats du défi. Maintenant, la compétition amicale s'est transformée en une communauté collaborative de chercheurs affinant leurs techniques pour concevoir des structures fiables fabriquées à partir d'une variété de matériaux.

Apprendre de la grande communauté

Typiquement, des prédictions comme celles-ci impliquent des séries répétées de mesures expérimentales et de calculs, de sorte que la modélisation est essentiellement calibrée sur des données de fracture connues. Pour ces défis, cependant, les participants ne connaissaient le résultat réel qu'après la fin de la compétition.

Le premier défi, tenue à l'été 2012, attiré 13 équipes de chercheurs universitaires, laboratoires et entreprises nationaux pour prédire l'initiation et la propagation des fissures dans un alliage d'acier inoxydable commun. Ils ont tous reçu le même dessin technique de la pièce d'essai, images microscopiques de la microstructure du matériau, des données sur la ténacité à la rupture du matériau et des mesures de la quantité de contrainte accumulée lors de la déformation. Puis, chaque équipe a appliqué sa propre méthode pour prédire la trajectoire d'une fissure sous une force donnée.

Pendant ce temps, des groupes de chercheurs à Sandia et à l'Université du Texas à Austin, qui ne participaient pas au concours de pronostics, fracturé le matériau dans leurs laboratoires. Ils ont chargé des éprouvettes dans des machines et les ont tirées jusqu'à ce qu'elles se déchirent en deux. Les caméras ont enregistré les chemins des fissures, tandis que les instruments mesuraient la quantité de force sur les échantillons.

Aucune des 13 prédictions ne correspondait complètement à tous les résultats expérimentaux, bien que beaucoup aient bien fonctionné pour les aspects de la formation de fissures. Avec une seule situation de comparaison, il était difficile de déterminer quelles méthodes de prédiction étaient les plus efficaces.

Deux ans plus tard, l'équipe de Sandia a lancé un deuxième défi. Cette fois, 14 équipes ont prédit le motif de fracture dans un composant en alliage de titane courant dans les avions, engins spatiaux et dispositifs médicaux. Il a été demandé aux équipes de prédire la formation de fissures à partir d'un chargement très lent comme avant et sous chargement rapide, comme celle vécue lors d'un accident de voiture.

Le chargement rapide offre une situation intéressante car une force rapide crée de la chaleur dans le matériau et laisse peu de temps à la chaleur pour se dissiper. Dans le deuxième défi, la plupart des équipes n'ont pas combiné modélisation thermique et mécanique, a dit Boyce. "Mais ceux qui l'ont fait avaient tendance à bien comprendre les détails."

Le troisième défi, tenue en 2016, a demandé aux chercheurs de prédire les fissures dans l'acier inoxydable usiné avec une imprimante 3D. Une imprimante 3D peut rendre impossible la création de formes personnalisées par des méthodes de fabrication traditionnelles, mais la microstructure des métaux imprimés peut être plus poreuse que celle des métaux forgés dans les défis précédents. Les chercheurs se sont demandé si la porosité interne pouvait provoquer la rupture des métaux imprimés plus tôt que prévu.

Pour ce défi, 21 équipes ont reçu de nombreuses données de caractérisation issues d'essais de traction et d'une imagerie microstructurale détaillée. Toutes les équipes ont prédit le site d'initiation de la fissure et le chemin résultant observé lors des tests expérimentaux. L'équipe la plus performante a participé aux challenges précédents et a tiré les leçons de ces expériences antérieures pour améliorer son approche, a dit Boyce.

Défis d'ingénierie du crowdsharing

Maintenant, le défi que les participants continuent en tant que collaboration appartenant à la communauté, se réunissant pour former le Partenariat pour la fiabilité structurelle. Ce groupe de scientifiques et d'ingénieurs des universités, l'industrie et les laboratoires nationaux s'efforcent d'améliorer les modèles de fracture. Il y a 17 institutions dans le partenariat, et les partenaires partagent les résultats entre eux avant qu'ils ne soient publiés.

Bien que le groupe puisse éventuellement s'attaquer à une grande variété de défis de prédiction pour concevoir la fiabilité, certains de ses intérêts initiaux incluent la prédiction des propriétés physiques des métaux imprimés en 3D et l'étude de la façon dont l'hydrogène gazeux altère le métal dans l'infrastructure à hydrogène. De telles prédictions pourraient aider les ingénieurs à mieux comprendre la fiabilité des ressorts soumis à des chocs ou des joints boulonnés, qui sont actuellement surdimensionnés pour compenser un comportement de rupture mal compris.

Le résultat signifie non seulement des structures plus sûres telles que des voitures et des avions, mais aussi des véhicules plus légers et plus économes en carburant.

À l'avenir, les efforts du partenariat pourraient s'étendre à l'étude des plastiques et des céramiques, et zoom sur le comportement des fractures au niveau micro-, échelles nano- et atomistiques, a dit Boyce.

Pour Boyce, les défis de la fracture ont également inspiré son propre projet, financé par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Sandia. Les progrès de la technologie des microscopes permettent aux scientifiques des matériaux de mieux voir les détails microstructuraux des matériaux. Boyce étudie les détails subtils des vides microscopiques dans les matériaux pour mieux comprendre comment une fracture commence à l'intérieur d'un matériau avant qu'elle ne soit visible.