Métaux auto-cicatrisants

Lorsque l'étudiant diplômé Guoqiang Xu et le professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux Michael Demkowicz, SM '04, PhD '05, ont vu le résultat pour la première fois, ils ont pensé que ce devait être une erreur. Dans certaines conditions, ont-ils découvert, mettre un morceau de métal fissuré sous tension, c'est-à-dire exercer une force qui devrait le séparer, avait l'effet inverse, provoquant la fermeture de la fissure et la fusion de ses bords. La découverte, disent-ils, pourrait conduire à des matériaux d'auto-guérison qui réparent les dommages naissants avant qu'ils n'aient une chance de se propager.

Une simulation montre une petite fissure (barre horizontale sombre) qui se répare lorsque le métal est soumis à une contrainte.

Ils ont dû revenir en arrière et vérifier, dit Demkowicz, quand au lieu de s'étendre, [la fissure] se refermait. La question suivante était : « Pourquoi cela se produit-il ? »

La réponse s'est avérée résider dans la microstructure cristalline d'un métal, en l'occurrence le nickel, qui est à la base des superalliages utilisés dans des environnements extrêmes tels que les puits de pétrole en eaux profondes. En créant un modèle informatique de la microstructure du nickel et en étudiant sa réponse à diverses conditions, explique Demkowicz, nous avons découvert qu'il existe un mécanisme qui peut, en principe, fermer les fissures sous n'importe quelle contrainte appliquée.

Les métaux ont tendance à être constitués de minuscules grains de cristal, des régions où les atomes sont alignés de manière précisément ordonnée. Aux frontières entre ces grains, l'orientation de ce motif peut changer brusquement. Dans certaines conditions, ont découvert Demkowicz et Xu, le stress provoque le changement de la microstructure, faisant migrer les joints de grains, disent-ils. En effet, un grain grandit tandis que le grain adjacent rétrécit. Cette migration des joints de grains est la clé de la guérison de la fissure, explique Demkowicz.

L'auto-guérison ne se produit que dans les métaux contenant un certain type de limite, explique-t-il, qui s'étend en partie à travers un grain mais pas tout le long de celui-ci. Cela crée un type de défaut connu sous le nom de désorientation.

Ces défauts ont des champs de contraintes intenses, qui peuvent être si forts qu'ils inversent en fait ce que ferait une charge appliquée, explique Demkowicz. Ainsi, lorsque les deux côtés d'un matériau fissuré sont séparés, au lieu de se fissurer davantage, il peut guérir. Le stress des désorientations conduit à ce comportement inattendu, dit-il.

Après avoir découvert ce mécanisme, les chercheurs prévoient d'étudier comment concevoir des alliages métalliques afin que les fissures se referment et guérissent sous des charges typiques d'applications particulières. Des techniques pour contrôler la microstructure des alliages existent déjà, dit Demkowicz, il s'agit donc simplement de trouver comment obtenir le résultat souhaité.

C'est un domaine que nous venons d'ouvrir, dit-il. Comment concevoir une microstructure pour s'auto-guérir ? C'est très nouveau.

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