Figure 1. Le schéma de principe du montage expérimental et de l'imagerie par diffraction des rayons X. La cible en feuille métallique mince est entraînée par une onde de choc générée par un laser de puissance focalisé (face inférieure sur la figure 1). Irradier XFEL pour échantillonner derrière, c'est observer les phénomènes de fracture à ultra grande vitesse. La séquence d'images des instantanés de diffraction des rayons X avec une exposition femto-seconde est obtenue par des expériences répétées qui modifient l'intervalle de temps entre le laser de puissance et le XFEL. Crédit :Université d'Osaka
Jamais demandé, en croisière à 36 ans, 000 pieds au-dessus de l'Atlantique, que se passerait-il si un morceau de satellite, astéroïde, ou d'autres débris sont entrés en collision avec votre avion ?
La rupture dynamique est la fragmentation d'un matériau sous l'effet d'une contrainte, comme lors de l'impact. Ceci est important pour la protection contre les débris des matériaux utilisés dans les avions, vaisseau spatial, satellite, réacteurs et blindages nucléaires, ainsi que dans l'ingénierie générale et la fabrication.
Jusqu'à maintenant, la rupture dynamique des matériaux n'a été observée qu'en utilisant des techniques à grande échelle, telles que la mesure de la vitesse des fragments ou l'examen médico-légal des échantillons. La rupture dynamique à l'échelle atomique n'a pu être étudiée qu'à l'aide de simulations informatiques, étant donné que la gamme de tailles pouvant être observées dans les matériaux par des techniques expérimentales était trop étroite. Cependant, cela a changé grâce à une nouvelle technique rapportée par une équipe dirigée par l'université d'Osaka pour observer directement la rupture dynamique des métaux.
Les chercheurs ont utilisé une pompe laser et une sonde à rayons X pour détecter les mouvements, tels que l'étirement et la compression, dans la structure atomique du tantale sous haute contrainte. Spécifiquement, un laser produit un choc dans un mince morceau de tantale, un métal utilisé dans les alliages pour augmenter leur résistance et leur résistance à la corrosion. La sonde à rayons X mesure ensuite l'espacement des atomes du côté opposé du tantale. Cette technique est extrêmement sensible aux atomes proches de la surface, qui sont celles qui sont le plus étroitement associées aux dommages de surface.
Figure 2. ci-dessus :Coupe transversale d'une spallation typique d'un matériau. De gros dommages sur la partie inférieure de la surface arrière sont clairement visibles. Ci-dessous :Répartition des débris spatiaux en orbite terrestre. Des débris à une vitesse supérieure à 10 km/sec existent et peuvent causer de graves dommages (sur les stations spatiales et les satellites). Crédit :ESA &NASA
"L'évolution de la déformation du réseau associée à la fracture ultrarapide du tantale est donnée par une série temporelle de diagrammes de diffraction des rayons X, " explique le Dr Bruno Albertazzi. " Cette déformation nous montre la partie choquée du tantale, qui est extrêmement petit, mais le choc traverse le tantale à près de cinq kilomètres par seconde. » Il n'est donc pas surprenant que la force du tantale soit compromise. Les mesures, réalisée au complexe synchrotron Spring-8 au Japon, montrent une diminution de l'espacement des atomes de tantale juste avant la rupture. L'équipe valide ses observations en démontrant une correspondance étroite avec des simulations informatiques.
Cette technique peut être utilisée pour étudier la fissuration à grande vitesse et d'autres effets liés aux contraintes. "Cette méthode comble le fossé dans la compréhension de la relation entre la structure atomique et les propriétés des matériaux, " explique le professeur agrégé Norimasa Ozaki. Le mouvement dans la structure atomique d'un matériau sous contrainte peut désormais être observé en temps réel, et une propriété importante du matériau, la contrainte requise pour la rupture, peut être déterminée. Ces connaissances profiteront à la conception et à la fabrication d'équipements et de technologies où la résistance aux chocs est primordiale.
