Étude sur le contrôle des matériaux : détecter les dommages dans l'acier non magnétique à l'aide du magnétisme

Les ingénieurs de Kaiserslautern, le professeur Tilmann Beck (à gauche), le doctorant Shayan Deldar (au premier plan) et le Dr. Marek Smaga, ont développé la procédure en collaboration avec des collègues de Mayence. (Photo : TUK/Koziel)

Usure, corrosion, fatigue du matériau – ces phénomènes d'usure sont communs à la plupart des matériaux. Il est d'autant plus important de détecter précocement les dommages, de préférence dès le niveau microscopique. À cette fin, on utilise souvent des méthodes d'inspection magnétiques. Jusqu'à présent, cela était impossible avec l'acier non magnétique. Des chercheurs de Kaiserslautern et de Mayence ont développé une méthode consistant à appliquer une fine couche magnétique sur l'acier. Les modifications de la microstructure peuvent ainsi être détectées par des changements dans les effets magnétiques. Des matériaux tels que l'aluminium peuvent également être contrôlés de cette manière. L'étude a été publiée dans la revue spécialisée « Journal of Magnetism and Magnetic Materials ».

L'acier fait partie des matériaux les plus utilisés. Il est employé sous de nombreuses variantes, comme l'acier inoxydable, l'acier de haute résistance ou l'acier de construction à prix abordable. Les aciers peuvent être magnétiques ou non magnétiques. Ils sont utilisés dans la vaisselle, dans les composants de véhicules ou dans les poutres en acier des bâtiments et des ponts. Parfois, l'acier est soumis à de hautes températures ou à des contraintes. « Cela peut entraîner des modifications microstructurales, des fissures ou une défaillance des composants », explique le Dr Marek Smaga, qui mène des recherches au département de science des matériaux de l'Université technique de Kaiserslautern (TUK) sous la direction du professeur Dr Tilmann Beck. Les experts parlent dans ce contexte de fatigue du matériau. Ces dommages ne sont initialement visibles qu'au niveau microscopique. Cependant, il n'est jusqu'à présent pas possible, avec des méthodes d'inspection magnétiques, de détecter précocement ces changements dans l'acier non magnétique.

Les ingénieurs de la TUK et les physiciens de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) travaillent précisément sur cette problématique et présentent dans leur étude actuelle une solution. Ce qui est particulier : ils exploitent les effets magnétiques, même si le matériau n'est pas magnétique. « Avec de l'acier magnétique, il est possible de détecter précocement des changements dans la structure », explique le doctorant de Kaiserslautern, Shayan Deldar. « Même de minuscules déformations modifient les propriétés magnétiques. Cela peut être mesuré avec une technologie de capteurs spécialisée. »

Les chercheurs ont recouvert un acier non magnétique de films magnétiques d'une épaisseur de 20 nanomètres, chacun composé de Terfenol-D, un alliage d'éléments chimiques tels que terbium, fer et dysprosium, ou de Permalloy, une alliage de nickel et de fer. Pour vérifier si les déformations de l'acier au niveau microscopique peuvent être détectées, ils ont utilisé un microscope Kerr. « Ce procédé exploite l'effet Kerr », explique Smaga, « qui permet de représenter les microstructures magnétiques, appelées domaines, par la rotation de la direction de polarisation de la lumière. »

Les scientifiques ont examiné de petites plaques d'acier recouvertes magnétiquement, quelques millimètres de côté, qui avaient été soumises auparavant à une charge mécanique. « Nous avons observé une modification caractéristique de la structure des domaines magnétiques », explique le Privatdozent Dr Martin Jourdan de l'Institut de physique de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence. « Les déformations microscopiques de l'acier non magnétique entraînent un changement dans la direction de la magnétisation de la fine couche. »

Par rapport aux méthodes d'inspection classiques, cette technique offre l'avantage de détecter plus tôt, au niveau microscopique, les signes de fatigue. La méthode des chercheurs pourrait à l'avenir être intégrée dans de nouvelles techniques de contrôle. De plus, elle n'est pas seulement intéressante pour l'acier non magnétique, mais pourrait également être appliquée à d'autres matériaux comme l'aluminium, le titane ou certains composites.

Les travaux ont été réalisés dans le cadre du programme de recherche « Spin+X – Spin dans son environnement collectif », qui est hébergé à la TU Kaiserslautern et à la JGU. Des équipes de chercheurs en chimie, physique, génie mécanique et procédés travaillent de manière interdisciplinaire sur des effets magnétiques destinés à être appliqués. Le focus est mis sur le spin. En termes de physique, le spin décrit le moment angulaire quantique intrinsèque d'une particule, comme un électron ou un proton. Il constitue la base de nombreux phénomènes magnétiques.

L'étude a été publiée dans la revue spécialisée « Journal of Magnetism and Magnetic Materials » : « Détection de déformation dans l'acier non magnétique par microscopie Kerr de couches magnétiques traceuses ». M. Jourdan, M.M.B. Krämer, M. Kläui, H.-J. Elmers, S. Deldar, M. Smaga, T. Beck.