La fatigue des métaux : un défi de deux siècles enfin surmonté ?

La fatigue des métaux : un défi de deux siècles enfin surmonté ?

Il est estimé que plus de 80% des défaillances en ingénierie sont dues à la fatigue des matériaux. La lutte contre la fatigue des métaux est donc un enjeu majeur pour les structures légères de tous les systèmes mécaniques comme les avions, les automobiles et les systèmes de production d’énergie.

Une recherche conjointe de l’Université de la Ville de Hong Kong (CityU) et de l’Université de Shanghai Jiao Tong a récemment permis de créer un alliage d’aluminium avec une résistance à la fatigue sans précédent grâce à des techniques avancées d’impression 3D.

Cette nouvelle stratégie de résistance à la fatigue peut être appliquée à d’autres alliages imprimés en 3D pour aider à développer des composants légers avec une efficacité de charge accrue pour diverses industries.

Le défi de la fatigue des métaux

Le phénomène de la fatigue des métaux a été découvert il y a environ deux siècles. Depuis lors, la rupture par fatigue est devenue l’un des problèmes les plus importants pour la durée de vie et la fiabilité de tous les systèmes mécaniques dynamiques, tels que ceux des avions, des automobiles et des centrales nucléaires“, a commenté le professeur Lu Jian, doyen de la faculté d’ingénierie et directeur de la branche de Hong Kong du Centre national de recherche en ingénierie des matériaux précieux (NPMM) à CityU, qui a co-dirigé la recherche.

Les métaux conventionnels présentent généralement une résistance à la fatigue inférieure à la moitié de leur résistance à la traction.

Microstructure de l’alliage AM NTD-Al. (A) Analyse μ-CT montrant la distribution spatiale et la taille des défauts d’impression ; le plus grand défaut était de 73 µm, seulement environ 1/3 de la taille des défauts dans l’alliage AM AlSi10Mg sans décoration TiB2. (B) Morphologie des grains de l’échantillon imprimé. (C) Réseau de structures cellulaires de solidification avec un diamètre moyen de ~ 500 nm. (D) Structure cellulaire 3D continue en Si révélée par tomographie BSE/FIB. (E) Structure cellulaire constituée de phases de Si nanométriques révélée par TEM. Credit : Dan, C. et al, source: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9

« La faible résistance à la fatigue est principalement due à des défauts à plusieurs échelles dans les matériaux, qui continuent de croître et d’évoluer avec le chargement cyclique, formant des fissures macroscopiques et se développant finalement en fissures plus grandes qui détruisent toute la structure du matériau », a-t-il expliqué.

« Ce phénomène difficile se produit également dans les alliages produits par fabrication additive, également connue sous le nom d’impression 3D, limitant davantage les applications des matériaux imprimés en 3D. »

Une approche pour surmonter la faible résistance à la fatigue

Pour surmonter le problème de la faible résistance à la fatigue dans les alliages imprimés en 3D et généralement dans tous les matériaux métalliques, une équipe de recherche conjointe de CityU et de l’Université de Shanghai Jiao Tong a utilisé la fusion sur lit de poudre par laser (LPBF) – l’une des techniques de fabrication additive de métaux les plus utilisées – pour fabriquer avec succès un nouvel alliage d’aluminium à partir de poudres AlSi10Mg décorées de nanoparticules de TiB2.

Étude du mécanisme de fatigue sur l’échantillon après 107 cycles de fatigue à une contrainte maximale de 260 MPa (R = 0,1). (A) Aucune fissure évidente n’a été observée dans l’échantillon après l’essai de fatigue. (B – C) Localisation et exposition d’une section transversale de P1 par polissage laser guidé par μ-CT. (D – H) Le réseau eutectique submicronique autour des pores reste fondamentalement intact, et le mouvement des dislocations est limité dans la structure du réseau. Credit : Dan, C. et al, source: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01651-9

La résistance à la fatigue de cet alliage d’aluminium imprimé en 3D décoré de nano-TiB2 (NTD-Al alloy) est plus du double de celle des autres alliages d’aluminium imprimés en 3D et dépasse celle des alliages AI forgés à haute résistance.

En synthèse

La découverte de cette nouvelle approche de résistance à la fatigue des métaux est une avancée majeure dans le domaine de l’ingénierie. En plus de permettre la création de structures légères plus résistantes, cette technique pourrait également contribuer à réduire les émissions de carbone dans les industries modernes.

De plus, la même stratégie pourrait être utilisée pour d’autres matériaux, contribuant ainsi à résoudre le défi de la défaillance par fatigue dans la fabrication additive de métaux.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la fatigue des métaux ?

La fatigue des métaux est un phénomène qui se produit lorsque les matériaux sont soumis à des charges cycliques, ce qui peut entraîner des fissures et finalement la défaillance du matériau. C’est un problème majeur dans la durée de vie et la fiabilité de tous les systèmes mécaniques dynamiques.

Quelle est l’importance de la lutte contre la fatigue des métaux ?

Il est estimé que plus de 80% des défaillances en ingénierie sont dues à la fatigue des matériaux. Par conséquent, la lutte contre la fatigue des métaux est un enjeu majeur pour les structures légères de tous les systèmes mécaniques, tels que les avions, les automobiles et les systèmes de production d’énergie.

Quelle est la nouvelle approche pour surmonter la faible résistance à la fatigue ?

Une équipe de recherche conjointe de l’Université de la Ville de Hong Kong (CityU) et de l’Université de Shanghai Jiao Tong a utilisé la fusion sur lit de poudre par laser (LPBF) pour fabriquer avec succès un nouvel alliage d’aluminium à partir de poudres AlSi10Mg décorées de nanoparticules de TiB2. Cet alliage a une résistance à la fatigue plus du double de celle des autres alliages d’aluminium imprimés en 3D.

Quels sont les avantages de cette nouvelle approche ?

Cette nouvelle stratégie de résistance à la fatigue peut être appliquée à d’autres alliages imprimés en 3D pour aider à développer des composants légers avec une efficacité de charge accrue pour diverses industries. De plus, elle pourrait contribuer à réduire les émissions de carbone dans les industries modernes.

Quelles sont les applications potentielles de cette découverte ?

L’alliage NTD-Al a déjà été utilisé pour fabriquer des prototypes de grandes structures à parois minces, y compris les pales de ventilateur des moteurs d’avions conçus pour une haute résistance à la fatigue, et a réussi le test de qualification de fatigue. Il a le potentiel d’être utilisé dans les structures légères nécessaires dans les industries où les propriétés de fatigue sont le critère de conception clé.

Les résultats de cette recherche ont été publiés dans Nature Materials sous le titre “Achieving ultrahigh fatigue resistance in AlSi10Mg alloy by additive manufacturing”.

Légende illustration principale : Le professeur Lu Jian, doyen de la faculté d’ingénierie et directeur de la branche hongkongaise du National Precious Metals Material Engineering Research Center (NPMM) de la CityU. Crédit : City University of Hong Kong

[ Rédaction ]

Articles connexes