Rester à l'affût : les chercheurs se tournent vers un outil d'atelier quotidien pour étudier le comportement des matériaux

Jul 29, 2023

Des chercheurs de la Texas A&M University utilisent un outil de fabrication traditionnel – la découpe des métaux – et développent une méthode plus accessible pour comprendre le comportement des métaux dans des conditions extrêmes.

La découpe du métal – gratter une fine couche de matériau sur la surface d'un métal à l'aide d'un couteau bien aiguisé (un peu comme on gratte le beurre) – n'est peut-être pas la première chose qui nous vient à l'esprit pour étudier les propriétés des matériaux. Cependant, les Drs. Dinakar Sagapuram et Hrayer Aprahamian, professeurs adjoints au département d'ingénierie industrielle et des systèmes de Wm Michael Barnes '64, voulaient voir si le processus pouvait prédire le comportement des matériaux dans diverses conditions de déformation. Leur équipe comprenait Harshit Chawla, doctorant en génie industriel et des systèmes, et le Dr Shwetabh Yadav, professeur adjoint à l'Institut indien de technologie d'Hyderabad.

"La connaissance de la façon dont les matériaux se déforment et se détériorent dans des conditions mécaniques difficiles est vitale pour étudier et développer diverses applications technologiques, notamment les processus de fabrication, les essais de collision de véhicules et les essais d'impact pour les applications liées à la défense", a déclaré Chawla.

Étant donné que le processus de découpe implique un cisaillement ou une déformation locale du métal à des niveaux extrêmes et à des vitesses élevées, l'équipe a émis l'hypothèse que cela pourrait fournir des informations fondamentales sur la résistance du matériau, sa résistance à la déformation plastique ou à un changement de forme irréversible.

"La recherche ouvre une application nouvelle et intéressante pour la découpe des métaux en tant que 'test de propriété' que les scientifiques des matériaux et les physiciens peuvent utiliser pour tester leurs théories", a déclaré Sagapuram. « Le nombre de théories mathématiques sur la plasticité des métaux soumis à des vitesses de déformation élevées dépasse de loin les données expérimentales. Ainsi, les informations sur les propriétés obtenues grâce à la découpe du métal peuvent tester quelles théories sont valables et lesquelles ne le sont pas.

L'équipe utilise une caméra à grande vitesse pour observer la façon dont les métaux se déforment et se cisaillent lorsqu'ils rencontrent un outil de coupe tranchant, puis utilise ces informations pour déduire leurs propriétés de base. Un défi important réside cependant dans l’obtention des propriétés intrinsèques des matériaux à partir des données d’imagerie visuelle à grande vitesse. Bien que la découpe des métaux ne soit pas le domaine d'expertise d'Aprahamian, le partenariat avec Sagapuram a généré de nouvelles idées et techniques numériques.

"Un aspect important de cette recherche est d'établir des techniques d'optimisation mathématique qui garantissent une optimalité globale, obtenant ainsi la meilleure solution possible", a déclaré Aprahamian. « Sinon, vous pourriez obtenir des solutions qui semblent satisfaisantes, mais qui ne décrivent pas avec précision le matériau. »

Les avantages de la découpe des métaux par rapport aux méthodes d'essai utilisées aujourd'hui sont qu'elle est simple et peut produire une gamme de conditions difficiles à atteindre avec des essais conventionnels, mais qui sont importantes du point de vue de diverses applications techniques.

"Nous sommes enthousiasmés par la perspective d'utiliser la découpe comme méthode pratique pour déterminer les propriétés des matériaux qui ne sont désormais obtenues qu'avec des difficultés considérables", a déclaré Sagapuram. « Parce que c'est si simple, en principe, toute personne ayant accès à un atelier d'usinage peut désormais obtenir des données sur les matériaux sans capacités de test sophistiquées. »

L'équipe a récemment publié ses travaux dans la revue Proceedings of the Royal Society A, avec un autre article sur les techniques numériques en cours. Une subvention de la National Science Foundation soutient la recherche.

Sagapuram a déclaré que l'équipe a récemment commencé à collaborer avec le laboratoire national de Los Alamos, soutenu par le bureau des laboratoires nationaux du système universitaire Texas A&M, pour comparer leurs données avec les plates-formes de test de résistance dynamique des matériaux plus établies disponibles sur place au laboratoire. Ces études contribueront à valider la méthode et à vérifier si différentes expériences sur le même métal fournissent des données cohérentes.

Aprahamian a déclaré que leurs travaux visant à développer des techniques mathématiques avaient également des applications potentielles en dehors de la caractérisation des matériaux.