Premières images 3D de fissures microscopiques dans les alliages

• Pour la première fois, des chercheurs développent une technique pour capturer des images 3D de fissures microscopiques dans des alliages à base de nickel causées par l'exposition à l'hydrogène ou à l'eau.
• Cela aidera l'ingénieur à développer des microstructures avec une durée de vie des matériaux prolongée, réduisant ainsi les coûts de réparation et de remplacement.

Les microfractures dans les alliages métalliques ne sont pas visibles à l'œil nu, mais elles peuvent s'étendre à d'autres régions lorsqu'elles sont exposées à l'hydrogène ou à l'eau, entraînant de graves problèmes dans les centrales nucléaires, électrochimiques, les technologies de stockage d'hydrogène et les structures comme les ponts et les immeubles de grande hauteur.

Habituellement, la fragilisation par l'hydrogène (HE) des alliages est indiquée par des fractures inattendues et une perte de ductilité qui provoquent un spectre toujours plus large de défaillances de matériaux. Étant donné que l'intensité de l'HE augmente avec la résistance du métal, les alliages avancés (comme les alliages à base de nickel) sont plus sensibles à l'HE. Pour prédire et prévenir l'EH, il faut avoir une connaissance détaillée de ses origines physiques.

Récemment, des chercheurs du MIT et du LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) ont développé une technique pour capturer des images tridimensionnelles de fissures microscopiques dans les alliages causées par la fragilisation par l'hydrogène. Ces images peuvent être utilisées pour détecter différentes limites de grains ou orientations de structures microscopiques qui peuvent détourner les fractures et empêcher les dommages causés par l'hydrogène ou l'eau.

Comment ont-ils fait ?

La nouvelle technique - la cartographie de la microstructure 3D - repose sur des méthodes de diffraction des rayons X et de tomographie synchrotron pour analyser les fissures d'alliage de nickel causées par l'hydrogène/l'eau.

Si vous souhaitez analyser précisément la propagation des fissures métalliques, vous devez simuler le problème en trois dimensions. De plus, vous devez disposer de suffisamment de données sur la morphologie de la fissure et sa relation avec la microstructure.

Pour effectuer une évaluation non destructive, les auteurs ont fait briller des faisceaux de rayons X à haute intensité sur des alliages de nickel fissurés. Ils ont placé une caméra pour capturer tous les faisceaux transmis et diffractés. Ensuite, ils ont testé des centaines de milliers d'orientations de structure microscopique et examiné des millions de points.

Référence :Nature Communications | doi:10.1038/s41467-018-05549-y | LLNL

Crédit image :  Dharmesh Patel / Texas A&M University 

En alignant les données avec des modèles physiques, ils ont transformé les points de diffraction en une image de microstructure tridimensionnelle. Cette image 3D montre quels types de grains limites pourraient dévier les fissures, et les résultats suggèrent que les BLIPS (limites avec des plaines à faible indice) résistent aux dommages.

En quoi est-ce utile ?

La technologie peut apporter des avancées aux techniques de traitement des métaux visant à arrêter la propagation des fissures dans les alliages de nickel. Cela renforcerait les matériaux et augmenterait la durée de vie des composants et des structures.

Plus précisément, cela pourrait améliorer les prédictions des réponses mécaniques des alliages HE. Les joints de grains préjudiciables peuvent être traités tout en créant des alliages pour ajouter des obstacles aux fractures et les empêcher de se développer.

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De plus, les données obtenues à partir d'images 3D aideront l'ingénieur à développer des microstructures efficaces avec une durée de vie prolongée des matériaux, réduisant ainsi les coûts de réparation/remplacement. Pour augmenter la durée de vie, la microstructure doit être traitée avec de grandes quantités de BLIPS, qui dévieraient ou émousseraient les fissures d'une meilleure manière.