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Trouver des fissures dans les métaux bien avant leur apparition

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En un coup d’oeil:

  • Les chercheurs de l’Université Johns Hopkins détaillent une nouvelle méthode pour tester les métaux à une échelle microscopique.
  • La recherche expose les origines de l’initiation de fissures dans les métaux et dévoile une méthode pour prévenir les événements catastrophiques.
  • Jaafar El-Awady plaide pour la sélection de matériaux qui réduisent la probabilité de fissuration par fatigue dans les composants métalliques utilisés dans les avions, les ponts et autres structures qui se fissurent.

Les inspections des défauts et des défaillances des composants d’aéronef jouent un rôle important dans la sécurité des aéronefs. Tant mieux pour éviter une défaillance mécanique potentiellement dévastatrice à bord de l’avion, fait valoir Jaafar El-Awady, un Université Johns Hopkins chercheur examinant les nombreuses façons dont l’atténuation des défaillances peut être étendue dans la sélection des composants métalliques et la qualité des matériaux utilisés.

Le travail académique et appliqué pour comprendre les origines de l’initiation de la fissure a été largement centré sur le moment juste avant ou après la fissuration pour évaluer ce qui s’est passé dans la composition du métal, a déclaré El-Awady, qui est le fondateur. et directeur du Johns Hopkins Laboratoire de génie informatique et expérimental des matériaux (CEMEL).

Jusqu’à présent, ces observations ont fourni des informations limitées sur la sélection des matériaux qui réduisent la probabilité de fissuration par fatigue des composants. «Bien que nous sachions que cela se produit, nous ne savons pas toujours Pourquoi ça arrive », a déclaré El-Awady, dont les recherches portent principalement sur le domaine de la mécanique des matériaux pour les environnements extrêmes.

Il a expliqué que la conception eLes ingénieurs savent que la fatigue du métal est liée au nombre de cycles de chargement. Sur un avion, par exemple, où il y a des composants pressurisés ou dépressurisés et rotatifs dans le moteur, les métaux ont tendance à tomber en panne après un certain nombre de cycles. « L’un des plus gros problèmes a été d’essayer de prédire quand cela se produirait, » il a dit. «Il est généralement assez difficile – presque impossible – de prédire ou de déterminer qu’un composant va réellement tomber en panne.»

Mais El-Awady dernières recherches, publiées dans Science, se concentre sur le test des métaux à une échelle inférieure au micromètre et propose une nouvelle méthode pour déterminer ce qui conduit à des fissures. «L’échec de fatigue affecte tous les métaux», a-t-il expliqué. «C’est la principale cause de fissures dans les composants métalliques des avions.»

Un disque métallique fissuré provenant d’un moteur d’avion causé par le type de fatigue du métal que la nouvelle méthode serait en mesure de prédire bien avant qu’une fissure n’apparaisse.NTSB

Technique de recherche et intérêt

Comme les fractures se produisent à une échelle nanométrique, les chercheurs ne peuvent généralement pas observer le processus de fracture dans des expériences à petite échelle ou en regardant les fissures à l’œil nu. Dans ces cas, la fissure n’est observée qu’après son amorçage. À l’aide d’un microscope électronique à balayage, la nouvelle technique expérimentale d’El-Awady est capable d’observer les matériaux à une échelle inférieure au micromètre, permettant aux chercheurs d’observer toute la surface de l’échantillon.

«De plus, nous sommes en mesure d’observer les dommages au fur et à mesure de leur évolution, au fur et à mesure que la fissure se nuclée, ainsi que d’observer les processus d’initiation de la fissure au fur et à mesure qu’ils se produisent en surface», a-t-il expliqué. Les expériences permettent aux chercheurs de déduire les mécanismes à l’origine de la nucléation des fissures et comment la localisation des dommages se produit réellement dans le matériau.

Comprendre la qualité du matériau présente également d’autres avantages: il y a un intérêt considérable à prédire une défaillance. «Si vous pouvez prédire quand un échantillon va échouer, vous n’avez pas vraiment besoin de le jeter», a expliqué El-Awady. «Dans de nombreux cas, si vous dites qu’un échantillon a une probabilité d’échec de 1%, il y a 99,9% de chances que l’échantillon n’échoue pas. Donc, si vous le jetez, ce morceau de matériau pourrait en fait être absolument parfait – vous ne le savez tout simplement pas – et c’est potentiellement un gaspillage d’argent important.

L’intérêt de la recherche de Johns Hopkins était d’essayer d’enrichir la compréhension fondamentale de la façon dont les fissures commencent, qui est l’étape d’initiation d’une fracture de fatigue. El-Awady définit la «fracture» comme l’état dans lequel l’ensemble de l’échantillon a atteint un événement de défaillance catastrophique. «Une fois que les fissures se sont déclenchées, elles se propagent finalement et vous obtenez l’échec complet», a-t-il déclaré. «La partie la plus délicate est que, selon le type de cycles de chargement, un composant peut passer 90% de sa durée de vie dans les étapes d’amorçage d’une fissure, ou il peut être de 10%, selon l’historique de chargement.

Ce qui n’est pas bien compris dans la littérature est Comment des fissures apparaissent dans les matériaux », a-t-il poursuivi. «Ce que l’on sait, c’est que s’il y a une fissure suffisamment grande pour que nous puissions observer, nous pouvons prédire quand l’échantillon va échouer, étant donné les conditions de chargement et la préexistence d’une fissure.»

Ce contexte a aidé à caractériser le problème de la recherche, car l’initiation de fissures se produit généralement à l’échelle nanométrique et les métaux ont des signatures. El-Awady a en outre expliqué que les métaux se déforment par dislocations. Ce sont des défauts de Venier dans l’arrangement atomique de la structure cristalline des métaux. Cette localisation des dommages, a-t-on fait valoir, est le précurseur de l’amorçage de fissures. Pourtant, El-Awady pense que la localisation de ces défauts n’a pas été bien comprise.

Les chercheurs ont utilisé du nickel pur dans leurs expériences parce que c’est le matériau de base généralement utilisé dans les moteurs à turbine; ceux-ci sont fabriqués avec des superalliages à base de nickel. La justification de l’utilisation d’un métal pur était d’éviter les influences qui pourraient brouiller la compréhension de la fatigue. Les mécanismes qui conduisent à la localisation et à l’initiation des fissures sont plus ou moins les mêmes dans tous les types de métaux, a déclaré El-Awady.

Toutes les fissures ne mènent pas à l’échec

Il soutient qu’il y a beaucoup plus à quantifier sur la base de la recherche actuelle. Une observation dans cette expérience est qu’il y a un nombre important de petites fissures qui se nucléent. Un autre est que toutes les fissures ne vont pas se propager et conduire à un échec complet.

«Finalement, un très petit ensemble de ces fissures va dominer et ensuite elles vont se propager et échouer», a déclaré El-Awady. «L’une des plus grandes questions à présent est de savoir quelles sont les principales caractéristiques qui conduisent une courte fissure particulière à se propager dans une fissure qui conduira à une défaillance catastrophique? Ceci est connu dans la littérature sous le nom de statistiques de propagation de fissures courtes, qui fournissent des estimations des résistances à la fatigue. »

En général, les chercheurs veulent comprendre la taille de la fissure et mesurer la résistance du matériau par rapport aux dimensions du composant et aux dimensions intrinsèques, ou microstructure, du matériau lui-même. Cependant, la communauté de recherche a du mal à quantifier quelle fissure courte conduira éventuellement à une fracture, a noté El-Awady.

«Si vous pouvez quantifier cela, alors vous en avez presque terminé avec le processus de fracture depuis le début des fissures courtes, jusqu’à la définition et la détermination des fissures qui vont dominer et conduire à de grandes fissures», a-t-il déclaré. «Et puis nous comprenons comment de grandes fissures se comporteront par la suite. Il s’agit du chaînon manquant et d’un intérêt considérable pour la communauté dans la prévision des dommages dus à la fatigue, des fractures et des ruptures. »

Les implications pratiques

Savoir comment se produisent les fissures enrichira l’opportunité de le modéliser, a estimé El-Awady. «Et si vous êtes capable de le modéliser, vous pouvez le prédire. Et si vous pouvez le prévoir, vous pouvez essentiellement concevoir le matériau de manière à améliorer les performances du matériau ou la durée de vie des composants, etc.

Dans le processus de conception, l’industrie conçoit la rupture par fatigue en s’appuyant sur les courbes SN (résistance par rapport au nombre de cycles jusqu’à la rupture), a-t-il expliqué. Il s’agit d’une approche empirique avec très peu de compréhension de la déformation dans un matériau particulier. Les courbes aident à prédire quand un composant doit être remplacé.

Avec une nouvelle compréhension fondamentale, l’équipe d’El-Awady espère que la recherche conduira à une approche beaucoup plus rigoureuse pour prévoir les dommages dus à la fatigue. À titre d’exemple pratique, il évoque une technique déjà utilisée: la modélisation par éléments finis de plasticité cristalline, qui prédit l’illusion de dommages. Dans cette technique, le chercheur introduit des connaissances sur la microstructure et les caractéristiques du matériau dans la simulation et tente de prédire comment le matériau évolue.

Ces types de simulations nécessitent une compréhension physique des mécanismes et de leur évolution, a noté El-Awady. Les résultats de sa nouvelle méthode alimenteraient ces types de simulations, enrichissant leur capacité de modélisation basée sur la physique de manière à pouvoir prédire la défaillance d’une microstructure spécifique d’un matériau, ainsi que concevoir le matériau différemment.

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