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Résultats « contre-intuitifs » : des scientifiques du MIT découvrent un comportement surprenant des métaux dans des conditions extrêmes

SciTechDaily

Dans une découverte contre-intuitive des chercheurs du MIT, les métaux frappés par des objets à des vitesses très élevées augmentent en résistance avec la hausse des températures, inversant l'effet de ramollissement habituel observé dans des conditions normales. Cette nouvelle compréhension, basée sur des expériences utilisant de minuscules particules de saphir projetées sur des métaux, pourrait révolutionner la conception de matériaux destinés aux environnements extrêmes tels que les boucliers d'engins spatiaux ou les processus de fabrication à grande vitesse.

MIT Les scientifiques ont découvert que des métaux comme le cuivre peuvent devenir plus résistants lorsqu'ils sont chauffés et soumis à des impacts à grande vitesse, remettant en question les idées traditionnelles et améliorant potentiellement les matériaux pour des environnements extrêmes comme l'espace et la fabrication à grande vitesse.

Les métaux deviennent plus mous lorsqu'ils sont chauffés, c'est ainsi que les forgerons peuvent façonner le fer en formes complexes en le chauffant au rouge. Et quiconque compare un fil de cuivre à un cintre en acier comprendra rapidement que le cuivre est beaucoup plus souple que l’acier.

Mais des scientifiques du MIT ont découvert que lorsque le métal est heurté par un objet se déplaçant à une vitesse très élevée, l'inverse se produit : plus le métal est chaud, plus il est résistant. Dans ces conditions, qui exercent des contraintes extrêmes sur le métal, le cuivre peut en réalité être aussi résistant que l’acier. Cette nouvelle découverte pourrait conduire à de nouvelles approches dans la conception de matériaux destinés aux environnements extrêmes, tels que des boucliers protégeant les engins spatiaux ou les avions hypersoniques, ou des équipements destinés aux processus de fabrication à grande vitesse.

Les résultats sont décrits dans un article récemment publié dans Naturepar Ian Dowding, étudiant diplômé du MIT, et Christopher Schuh, ancien chef du département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT, aujourd'hui doyen de la faculté d'ingénierie à Université du nord-ouest et professeur invité au MIT.

Résultats contre-intuitifs et applications potentielles

Cette nouvelle découverte, écrivent les auteurs, « est contre-intuitive et en contradiction avec des décennies d’études menées dans des conditions moins extrêmes ». Les résultats inattendus pourraient affecter diverses applications, car les vitesses extrêmes impliquées dans ces impacts se produisent régulièrement lors des impacts de météorites sur des engins spatiaux en orbite et dans les opérations d'usinage à grande vitesse utilisées dans les processus de fabrication, de sablage et de certains processus de fabrication additive (impression 3D).

Les expériences utilisées par les chercheurs pour découvrir cet effet consistaient à projeter de minuscules particules de saphir, mesurant seulement un millionième de mètre de diamètre, sur des feuilles de métal plates. Propulsées par des faisceaux laser, les particules atteignaient des vitesses élevées, de l'ordre de quelques centaines de mètres par seconde. Alors que d’autres chercheurs ont parfois réalisé des expériences à des vitesses tout aussi élevées, ils ont eu tendance à utiliser des impacteurs plus grands, à l’échelle de quelques centimètres ou plus. Étant donné que ces impacts plus importants étaient dominés par les effets du choc de l'impact, il n'y avait aucun moyen de séparer les effets mécaniques et thermiques.

3 particules frappant une surface métallique à peu près à la même vitesse

Légende : Les scientifiques du MIT ont découvert que lorsque les métaux sont déformés à un rythme extrême par un objet se déplaçant à grande vitesse, des températures plus élevées rendent le métal plus fort, et non plus faible. Ici, 3 particules frappent une surface métallique à peu près à la même vitesse. À mesure que la température initiale du métal augmente, le rebond est plus rapide et la particule rebondit plus haut car le métal devient plus dur et non plus mou. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Particule volant et rebondissant sur une surface

L’équipe a utilisé des caméras extrêmement rapides pour suivre les particules. Cette séquence, issue de données de recherche, montre une particule volant et rebondissant sur une surface. Crédit : MIT

Les minuscules particules de la nouvelle étude ne créent pas d’onde de pression significative lorsqu’elles atteignent la cible. Mais il a fallu une décennie de recherche au MIT pour développer des méthodes permettant de propulser de telles particules microscopiques à des vitesses aussi élevées. « Nous en avons profité », explique Schuh, ainsi que d'autres nouvelles techniques permettant d'observer l'impact à grande vitesse lui-même.

Observations et conclusions

L’équipe a utilisé des caméras à très haute vitesse « pour observer les particules lorsqu’elles entrent et lorsqu’elles s’envolent », explique-t-il. Lorsque les particules rebondissent sur la surface, la différence entre les vitesses entrantes et sortantes « vous indique la quantité d’énergie déposée » dans la cible, ce qui est un indicateur de la résistance de la surface.

Les minuscules particules utilisées étaient constituées d’alumine, ou de saphir, et sont « très dures », explique Dowding. D'un diamètre de 10 à 20 microns (millionièmes de mètre), ils représentent entre un dixième et un cinquième de l'épaisseur d'un cheveu humain. Lorsque la rampe de lancement derrière ces particules est touchée par un faisceau laser, une partie du matériau se vaporise, créant un jet de vapeur qui propulse la particule dans la direction opposée.

Particule volant et rebondissant sur une surface

L’équipe a utilisé des caméras extrêmement rapides pour suivre les particules. Cette séquence, issue de données de recherche, montre une particule volant et rebondissant sur une surface. Crédit : MIT

Les chercheurs ont projeté les particules sur des échantillons de cuivre, de titane et d’or, et ils s’attendent à ce que leurs résultats s’appliquent également à d’autres métaux. Ils affirment que leurs données fournissent la première preuve expérimentale directe de cet effet thermique anormal d'une résistance accrue avec une plus grande chaleur, bien que des indices d'un tel effet aient déjà été rapportés.

Cet effet surprenant semble résulter de la manière dont les rangées ordonnées d'atomes qui composent la structure cristalline des métaux se déplacent dans différentes conditions, selon l'analyse des chercheurs. Ils montrent qu'il existe trois effets distincts régissant la façon dont le métal se déforme sous contrainte, et bien que deux d'entre eux suivent la trajectoire prévue de déformation croissante à des températures plus élevées, c'est le troisième effet, appelé renforcement par traînée, qui inverse son effet lorsque le taux de déformation dépasse un certain seuil.

Effet de renforcement de la traînée

Au-delà de ce point de croisement, la température plus élevée augmente l'activité des phonons (ondes sonores ou thermiques) dans le matériau, et ces phonons interagissent avec les dislocations du réseau cristallin d'une manière qui limite leur capacité à glisser et à se déformer. L’effet augmente avec l’augmentation de la vitesse et de la température de l’impact, explique Dowding, de sorte que « plus vous allez vite, moins les luxations sont capables de réagir ».

Bien sûr, à un moment donné, l’augmentation de la température commencera à faire fondre le métal, et à ce moment-là, l’effet s’inversera à nouveau et conduira à un ramollissement. « Il y aura une limite » à cet effet de renforcement, dit Dowding, « mais nous ne savons pas laquelle. »

Les résultats pourraient conduire à différents choix de matériaux lors de la conception de dispositifs susceptibles de rencontrer des contraintes aussi extrêmes, explique Schuh. Par exemple, des métaux qui sont normalement beaucoup plus fragiles, mais moins chers ou plus faciles à traiter, pourraient être utiles dans des situations où personne n’aurait pensé à les utiliser auparavant.

Les conditions extrêmes étudiées par les chercheurs ne se limitent pas aux engins spatiaux ou aux méthodes de fabrication extrêmes. « Si vous pilotez un hélicoptère dans une tempête de sable, beaucoup de ces particules de sable atteindront des vitesses élevées lorsqu'elles heurteront les pales », explique Dowding, et dans des conditions désertiques, elles peuvent atteindre des températures élevées où ces effets de durcissement se manifestent.

Les techniques utilisées par les chercheurs pour découvrir ce phénomène pourraient être appliquées à divers autres matériaux et situations, notamment à d’autres métaux et alliages. Selon eux, concevoir des matériaux destinés à être utilisés dans des conditions extrêmes en extrapolant simplement à partir de propriétés connues dans des conditions moins extrêmes pourrait conduire à des attentes sérieusement erronées quant à la façon dont les matériaux se comporteront sous des contraintes extrêmes.

La recherche a été soutenue par le ministère américain de l'Énergie.

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