Les ingénieurs peuvent désormais capturer et prédire la résistance des matériaux métalliques soumis à une charge cyclique, ou résistance à la fatigue, en quelques heures, et non en mois ou en années avec les méthodes actuelles.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign rapportent que l'imagerie électronique haute résolution automatisée peut capturer les événements de déformation à l'échelle nanométrique qui conduisent à la défaillance du métal et à la rupture à l'origine de la défaillance du métal. La nouvelle méthode aide les scientifiques à prédire rapidement la résistance à la fatigue de n'importe quel alliage et à concevoir de nouveaux matériaux pour les systèmes d'ingénierie soumis à des charges répétées pour les applications médicales, de transport, de sécurité, énergétiques et environnementales.

Les résultats de l'étude, menée par les professeurs de science et génie des matériaux Jean-Charles Stinville et Marie Charpagne, sont publiés dans la revue Science.

La fatigue des métaux et des alliages, comme la flexion répétée d'un trombone en métal qui conduit à sa rupture, est la cause première de la défaillance de nombreux systèmes d'ingénierie, a déclaré Stinville. Définir la relation entre la résistance à la fatigue et la microstructure est un défi car les matériaux métalliques présentent des structures complexes avec des caractéristiques allant du nanomètre au centimètre.

"Ce problème à plusieurs échelles est un problème de longue date car nous essayons d'observer des événements clairsemés de taille nanométrique qui contrôlent les propriétés macroscopiques et ne peuvent être capturés qu'en enquêtant sur de grandes zones avec une résolution fine", a déclaré Charpagne. "La méthode actuelle de détermination de la résistance à la fatigue des métaux utilise des essais mécaniques traditionnels qui sont coûteux, prennent du temps et ne fournissent pas une image claire de la cause première de la défaillance."

Dans l'étude actuelle, les chercheurs ont découvert que l'étude statistique des événements à l'échelle nanométrique qui apparaissent à la surface du métal lorsqu'il est déformé peut informer la résistance à la fatigue des métaux. L'équipe est la première à découvrir cette relation en utilisant la corrélation automatisée d'images numériques haute résolution collectées dans le microscope électronique à balayage, une technique qui compile et compare une série d'images enregistrées pendant la déformation, a déclaré Stinville. Les chercheurs ont démontré cette relation sur des alliages d'aluminium, de cobalt, de cuivre, de fer, de nickel, d'acier et d'alliages réfractaires utilisés dans une grande variété d'applications d'ingénierie clés.

"Ce qui est remarquable, c'est que les événements de déformation à l'échelle nanométrique qui apparaissent après un seul cycle de déformation sont en corrélation avec la résistance à la fatigue qui informent la durée de vie d'une pièce métallique sous un grand nombre de cycles", a déclaré Stinville. "Découvrir cette corrélation, c'est comme avoir accès à une empreinte de déformation unique qui peut nous aider à prédire rapidement la durée de vie en fatigue des pièces métalliques."

"Concevoir des matériaux métalliques avec une résistance à la fatigue plus élevée signifie des matériaux plus sûrs, plus résistants et plus durables", a déclaré Charpagne. "Ce travail a des impacts sociétaux, environnementaux et économiques car il met en lumière les paramètres à l'échelle micro et nanométrique pour s'adapter à la conception de matériaux ayant une durée de vie plus longue. Je pense que ce travail définira un nouveau paradigme dans la conception des alliages." + Explorer plus loin

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