Une équipe de recherche du National Institute for Materials Science (NIMS) a identifié le mécanisme par lequel les fissures de fatigue microscopiques se développent dans les métaux, résolvant un mystère vieux d’un demi-siècle. L’équipe a découvert que ces fissures se développaient le long des plans de glissement des cristaux métalliques grâce à l’imagerie tridimensionnelle d’échantillons de grand volume. La plupart des fissures se sont révélées être causées par une force de cisaillement plutôt que par les forces de traction précédemment considérées comme responsables.
Les métaux subissent une rupture de fatigue après avoir été soumis à plusieurs reprises à des forces externes. Parce que ce type de fracturation est une cause majeure de défaillance des machines, il est important de comprendre ses mécanismes par la recherche. Des fissures microscopiques s’initient et se développent dans les métaux fatigués avant de finalement se fracturer. Les mécanismes de croissance des fissures au début et à la fin de la durée de vie (c’est-à-dire lorsque les fissures ont grossi) ont été identifiés il y a plus de cinq décennies. Cependant, les mécanismes par lesquels les fissures microscopiques se développent au cours de la phase de fatigue intermédiaire n’étaient pas clairs, même si cela représente la majorité de la durée de vie en fatigue. La difficulté d’observer des fissures d’environ 200 μm de longueur en était une des raisons.
Cette équipe de recherche a récemment développé une technique analytique basée sur le microscope électronique capable d’imagerie cristallographique tridimensionnelle à haute résolution d’un échantillon métallique de grand volume (100 fois plus grand que le volume observable avec les méthodes conventionnelles). C’était la première fois que des fissures de fatigue d’environ 200 μm de longueur étaient imagées en trois dimensions à haute résolution. Ceci a été réalisé en appliquant la technique à un superalliage résistant à la chaleur développé pour être utilisé dans les moteurs d’avions. L’équipe a analysé cette image à travers le grand échantillon et a déterminé quantitativement la relation entre les chemins de croissance des fissures et les orientations cristallines, conduisant à la découverte d’un mécanisme de croissance des fissures qui diffère du mécanisme conventionnellement supposé.
La gestion de la durée de vie en fatigue et la prédiction des matériaux métalliques ont été réalisées sur la base des mécanismes connus de rupture par fatigue. Une compréhension plus détaillée de ces mécanismes augmenterait la précision de ces prédictions, ce qui est particulièrement vital pour le développement et l’utilisation pratique de matériaux d’aéronefs plus sûrs. Les résultats de cette recherche peuvent aider à améliorer la fiabilité des alliages fabriqués au Japon et à promouvoir leur utilisation pratique.
Cette recherche a été publiée dans la revue Scripta Materialia.
Plus d’information:
Hideaki Nishikawa et al, Observation cristallographique tridimensionnelle à haute résolution de tout le volume de petites fissures de fatigue microstructurales dans un superalliage à base de Ni-Co, Scripta Materialia (2022). DOI : 10.1016/j.scriptamat.2022.115026