Une première étude mondiale menée par des ingénieurs de l'Université de Monash a démontré que la durée de vie en fatigue des alliages d'aluminium à haute résistance a été multipliée par 25, un résultat significatif pour l'industrie du transport.

Publié aujourd'hui (jeudi 15 octobre 2020) dans la prestigieuse revue Communication Nature , les chercheurs ont démontré que les faibles performances en fatigue des alliages d'aluminium à haute résistance étaient dues à des maillons faibles appelés « zones exemptes de précipités » (PFZ).

L'équipe dirigée par le professeur Christopher Hutchinson, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université Monash en Australie, a été capable de fabriquer des microstructures en alliage d'aluminium qui peuvent guérir les maillons faibles pendant le fonctionnement (c'est-à-dire une forme d'auto-guérison).

L'amélioration de la durée de vie des alliages d'aluminium à haute résistance pourrait être 25 fois supérieure à celle des alliages de pointe actuels.

Les alliages d'aluminium sont le deuxième alliage d'ingénierie le plus utilisé aujourd'hui. Par rapport à l'acier, ils sont légers (1/3 de la densité), non magnétique et ont une excellente résistance à la corrosion.

Les alliages d'aluminium sont importants pour les applications de transport car ils sont légers, ce qui améliore le rendement énergétique. Mais, leurs propriétés de fatigue sont notoirement médiocres par rapport à un acier de résistance similaire.

Le professeur Hutchinson a déclaré lors de l'utilisation d'alliages d'aluminium pour le transport, la conception doit compenser les limitations de fatigue des alliages d'aluminium. Cela signifie que plus de matériaux sont utilisés que les fabricants ne le souhaiteraient et que les structures sont plus lourdes que nous le souhaiterions.

« 80 % de toutes les défaillances des alliages d'ingénierie sont dues à la fatigue. La fatigue est une défaillance due à une contrainte alternée et constitue un problème majeur dans l'industrie de la fabrication et de l'ingénierie, " a déclaré le professeur Hutchinson.

"Pensez à prendre un trombone en métal dans vos mains et à essayer de casser le métal. On ne peut pas. Cependant, si vous le pliez dans un sens, puis l'autre, et aller-retour un certain nombre de fois, le métal se brisera.

« Il s'agit d'une « défaillance par fatigue » et c'est une considération importante pour tous les matériaux utilisés dans les applications de transport, comme les trains, voitures, camions et avions."

La rupture par fatigue se produit par étapes. La contrainte alternative conduit à une microplasticité (subissant une modification permanente due à la contrainte) et à l'accumulation d'endommagements sous la forme d'une localisation de plasticité au niveau des maillons faibles du matériau.

La localisation plastique catalyse une fissure de fatigue. Cette fissure se développe et conduit à la rupture finale.

En utilisant l'AA2024 disponible dans le commerce, Alliages d'aluminium AA6061 et AA7050, les chercheurs ont utilisé l'énergie mécanique transmise aux matériaux pendant les premiers cycles de fatigue pour guérir les points faibles de la microstructure (les PFZ).

Cela a fortement retardé la localisation de la plasticité et l'amorçage des fissures de fatigue, et a vu des vies et des forces de fatigue améliorées.

Le professeur Hutchinson a déclaré que ces résultats pourraient être importants pour l'industrie du transport, car la demande d'économies de carburant, avion léger et durable, voitures, camions et trains continue de croître.

"Notre recherche a démontré un changement conceptuel dans la conception microstructurale des alliages d'aluminium pour les applications de chargement dynamique, " il a dit.

"Au lieu de concevoir une microstructure solide et d'espérer qu'elle reste stable le plus longtemps possible lors du chargement en fatigue, nous avons reconnu que la microstructure sera modifiée par le chargement dynamique et, Par conséquent, conçu une microstructure de départ (qui peut avoir une résistance statique inférieure) qui changera de telle manière que sa performance en fatigue est considérablement améliorée.

« À cet égard, la structure est formée et le calendrier de formation est utilisé pour guérir les PFZ qui représenteraient autrement les points faibles. L'approche est générale et pourrait être appliquée à d'autres alliages à durcissement précipité contenant des PFZ pour lesquels la performance en fatigue est une considération importante."