La fatigue du métal peut conduire à des défaillances brutales et parfois catastrophiques de pièces soumises à des chargements répétés, ou le stress. C'est une cause majeure de défaillance des composants structurels de tout, des aéronefs et des engins spatiaux aux ponts et aux centrales électriques. Par conséquent, de telles structures sont généralement construites avec de larges marges de sécurité qui augmentent les coûts.

Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT, du Japon et de l'Allemagne a trouvé un moyen de réduire considérablement les effets de la fatigue en incorporant une nanostructure laminée dans l'acier. La structuration en couches confère à l'acier une sorte de résilience osseuse, lui permettant de se déformer sans permettre la propagation de microfissures pouvant conduire à une rupture par fatigue.

Les résultats sont décrits dans un article de la revue Science par C. Cem Tasan, le professeur Thomas B. King Career Development de métallurgie au MIT; Meimei Wang, un post-doctorant dans son groupe; et six autres à l'Université de Kyushu au Japon et à l'Institut Max Planck en Allemagne.

« Les charges sur les composants structurels ont tendance à être cycliques, " dit Tasan. Par exemple, un avion subit des changements de pressurisation répétés à chaque vol, et les composants de nombreux appareils se dilatent et se contractent à plusieurs reprises en raison des cycles de chauffage et de refroidissement. Bien que ces effets soient généralement bien inférieurs aux types de charges qui feraient en sorte que les métaux changent de forme de façon permanente ou échouent immédiatement, ils peuvent provoquer la formation de microfissures, qui, au cours de cycles répétés de stress, s'étend un peu plus loin et plus large, créant finalement suffisamment de zone faible pour que la pièce entière puisse se fracturer soudainement.

"La majorité des défaillances inattendues [des pièces métalliques structurelles] sont dues à la fatigue, " dit Tasan. Pour cette raison, des facteurs de sécurité importants sont utilisés dans la conception des composants, entraînant une augmentation des coûts pendant la production et la durée de vie des composants.

Tasan et son équipe ont été inspirés par la façon dont la nature aborde le même genre de problème, rendant les os légers mais très résistants à la propagation des fissures. Un facteur majeur dans la résistance à la fracture de l'os est sa structure mécanique hiérarchique, l'équipe a donc étudié des microstructures qui imiteraient cela dans un alliage métallique.

La question était, il dit, "Peut-on concevoir un matériau avec une microstructure qui rend la propagation des fissures plus difficile, même s'ils se nucléent ?" Bone a fourni un indice sur la façon de le faire, par sa microstructure hiérarchique, c'est-à-dire la façon dont ses structures internes ont différents modèles de vides et de connexions à de nombreuses échelles de longueur différentes, avec une structure interne en treillis qui allie résistance et légèreté.

L'équipe a développé une sorte d'acier qui a trois caractéristiques clés, qui se combinent pour limiter la propagation des fissures qui se forment. En plus d'avoir une structure en couches qui a tendance à empêcher les fissures de se propager au-delà des couches où elles commencent, le matériau présente des phases microstructurales avec différents degrés de dureté, qui se complètent, alors quand une fissure commence à se former, "chaque fois qu'il veut se propager plus loin, il doit suivre un chemin énergivore, " et le résultat est une grande réduction de cet étalement. De plus, le matériau a une composition métastable; de minuscules zones à l'intérieur sont en équilibre entre différents états stables, certains plus flexibles que d'autres, et leurs transitions de phase peuvent aider à absorber l'énergie de propagation des fissures et même conduire les fissures à se refermer.

Pour mieux comprendre les rôles relatifs de ces trois caractéristiques, l'équipe a comparé chacun des aciers avec une combinaison de deux des trois propriétés clés. Aucun de ceux-ci n'a fonctionné aussi bien que la combinaison à trois voies, il dit. "Cela nous a montré que notre modification a une meilleure résistance à la fatigue que n'importe laquelle d'entre elles."

Le test de tels matériaux dans des conditions réalistes est difficile à faire, Tasan explique, en partie à cause de "l'extrême sensibilité de ces matériaux aux défauts de surface. Si vous le rayez, il va échouer beaucoup plus rapidement. » Une préparation et une inspection méticuleuses des échantillons d'essai sont donc essentielles.

Ce constat n'est qu'un premier pas, Tasan dit, et il reste à voir ce qui serait nécessaire pour augmenter le matériel aux quantités qui pourraient être commercialisées, et quelles applications en bénéficieraient le plus. « L'économie entre toujours en ligne de compte, " dit-il. " Je suis métallurgiste, et c'est un nouveau matériau qui a des propriétés intéressantes. Les grandes industries telles que l'automobile ou l'aérospatiale sont très prudentes quant aux changements de matériaux, car cela entraîne des efforts et des coûts supplémentaires."

Mais il y a probablement plusieurs utilisations où le matériau serait un avantage significatif. "Pour les applications critiques, [les avantages] sont si importants que le changement en vaut la peine supplémentaire » sur le coût, il dit. "C'est un alliage qui serait plus cher qu'un acier bas carbone basique, mais les prestations immobilières se sont avérées tout à fait exceptionnelles, et c'est avec des quantités beaucoup plus faibles de métaux d'alliage (et par conséquent, coûts) que les autres matériaux proposés.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.