Comprendre les mécanismes de fracture des métaux est essentiel pour les professionnels des essais non destructifs (END). Ce guide technique couvre six principaux types de fracture avec des stratégies de prévention pour les applications industrielles.
Fracture par corrosion sous contrainte
Caractéristiques
La fracture par corrosion sous contrainte est une fracture qui se produit sous l'action combinée d'une contrainte de traction et de milieux corrosifs spécifiques. Le processus de fracture ne présente généralement pas de signes avant-coureurs évidents et est soudain. La surface de fracture présente généralement des caractéristiques de fracture fragile, mais peut parfois être accompagnée d'une légère déformation plastique.
Dans les milieux corrosifs, un film de produits de corrosion se forme à la surface du métal. Lorsque le métal est soumis à une contrainte de traction, le film de produits de corrosion se rompt, exposant une nouvelle surface métallique. La nouvelle surface métallique est rapidement corrodée, formant un nouveau film de produits de corrosion. Ce cycle se répète, provoquant la propagation continue des fissures à l'intérieur du métal, déclenchant finalement la fracture.
Facteurs d'influence
L'état de contrainte, les milieux corrosifs et la sensibilité du matériau sont les principaux facteurs affectant la fracture par corrosion sous contrainte. La contrainte de traction est une condition nécessaire pour initier la fracture par corrosion sous contrainte ; différents milieux corrosifs ont des effets de corrosion différents sur différents matériaux métalliques ; certains matériaux métalliques présentent une sensibilité élevée à des milieux corrosifs spécifiques.
Mesures de prévention
Sélectionner correctement les matériaux, en choisissant des matériaux insensibles à la corrosion sous contrainte ;
réduire les niveaux de contrainte des composants, en utilisant le recuit et d'autres procédés pour éliminer les contraintes résiduelles ;
améliorer les conditions environnementales, telles que la réduction de la concentration des milieux corrosifs et le contrôle de la température ;
utiliser des mesures de protection de surface telles que les revêtements et la galvanoplastie.
Méthode END suggérée
Contrôle par ressuage, détection des fissures par ultrasons
Fracture par fluage
Caractéristiques
La fracture par fluage est la déformation plastique lente et la fracture qui se produisent au fil du temps sous l'effet d'une température élevée et d'une contrainte constante. Le processus de fluage comprend généralement trois étapes : l'étape de fluage initial, l'étape de fluage en régime permanent et l'étape de fluage accéléré. La surface de fracture par fluage est généralement rugueuse avec une couleur d'oxydation évidente.
Dans les environnements à haute température, l'activité atomique à l'intérieur du métal augmente et les dislocations montent et glissent facilement. Sous une contrainte constante, les dislocations se déplacent continuellement, provoquant une déformation plastique lente du métal. Au fil du temps, la déformation s'accumule et, lorsqu'elle atteint un certain niveau, elle déclenche la formation et la propagation de fissures, conduisant finalement à la fracture.
Facteurs d'influence
La température, la contrainte et le temps sont les principaux facteurs affectant la fracture par fluage. Des températures plus élevées augmentent les taux de fluage du métal ; des contraintes plus importantes entraînent une déformation par fluage plus évidente ; des temps plus longs augmentent la possibilité de fracture par fluage. De plus, la composition chimique et la microstructure du matériau affectent également les propriétés de fluage.
Mesures de prévention
Sélectionner des matériaux résistants aux hautes températures et au fluage ;
contrôler rationnellement la température de fonctionnement et les niveaux de contrainte, en évitant les états de haute température et de contrainte prolongés ;
optimiser la microstructure du matériau pour améliorer la résistance au fluage.
Méthode END suggérée
Mesure de l'épaisseur par ultrasons, analyse métallographique
Fracture par fatigue
Caractéristiques
La fracture par fatigue est une fracture qui se produit après un certain nombre de cycles sous l'effet d'une contrainte alternée. Le processus de fracture comprend généralement trois étapes : l'amorçage des fissures, la propagation des fissures et la fracture finale. La surface de fracture par fatigue se compose généralement de zones lisses et rugueuses, où la zone lisse est la zone de propagation lente des fissures et la zone rugueuse est la zone de fracture rapide finale.
Sous l'effet d'une contrainte alternée, certaines zones faibles à la surface du métal, telles que les joints de grains et les bords d'inclusion, produisent de minuscules fissures - amorçage des fissures. Au fur et à mesure que le nombre de cycles augmente, les fissures s'étendent continuellement sous l'effet de la contrainte, formant des fissures macroscopiques. Lorsque les fissures se propagent jusqu'à un certain point, la section restante ne peut pas résister à la force externe, ce qui entraîne une fracture finale.
Facteurs d'influence
L'amplitude de la contrainte, la contrainte moyenne, le nombre de cycles et la limite de fatigue du matériau sont les principaux facteurs affectant la fracture par fatigue. Une amplitude de contrainte et une contrainte moyenne plus élevées accélèrent la propagation des fissures et réduisent la durée de vie en fatigue ; plus de cycles augmentent la possibilité de fracture par fatigue ; une limite de fatigue du matériau plus élevée indique une résistance plus forte à la fracture par fatigue.
Mesures de prévention
Concevoir rationnellement les structures des composants pour réduire la concentration des contraintes ; sélectionner des matériaux avec des limites de fatigue élevées ;
effectuer des traitements de renforcement de surface tels que le grenaillage et le laminage pour améliorer la résistance à la fatigue de surface ;
contrôler l'amplitude de la charge et le nombre de cycles pour éviter de dépasser les limites de fatigue du matériau.
Méthode END suggérée
Contrôle par courants de Foucault, contrôle par magnétoscopie
Fracture fragile
Caractéristiques
La fracture fragile est un mode de fracture où le métal ne subit presque aucune déformation plastique évidente avant la fracture. Le processus de fracture se produit soudainement, avec une surface de fracture plate et lisse, présentant souvent des motifs cristallins ou en chevrons, avec un éclat métallique.
La fracture fragile est principalement causée par la présence de fissures ou de défauts à l'intérieur du métal. Sous l'effet d'une force externe, une concentration de contraintes se produit aux extrémités des fissures. Lorsque la concentration de contraintes atteint la ténacité à la rupture du matériau, les fissures se propagent rapidement, entraînant la fracture du métal. Ce mode de fracture est généralement lié à la structure cristalline du matériau, à la teneur en impuretés et à l'état de contrainte.
Facteurs d'influence
La fragilité du matériau est affectée par divers facteurs. Une teneur en carbone et une teneur en impuretés plus élevées réduisent la ténacité du métal et augmentent la fragilité ; les environnements à basse température modifient la structure cristalline du métal, réduisant la ténacité ; les états de contrainte de traction triaxiale favorisent également la fracture fragile.
Mesures de prévention
Contrôler strictement la composition chimique du matériau et réduire la teneur en impuretés ;
effectuer un traitement thermique approprié pour améliorer la microstructure et augmenter la ténacité ;
concevoir rationnellement les structures des composants pour éviter les états de contrainte de traction triaxiale ;
mettre en œuvre des mesures de préchauffage lorsqu'elles sont utilisées dans des environnements à basse température.
Méthode END suggérée
Contrôle par émission acoustique, ultrasons à réseau phasé
Fracture ductile
Caractéristiques
La fracture ductile est un mode de fracture où le métal subit une déformation plastique évidente avant la fracture. Pendant le processus de fracture, le matériau métallique subit d'abord un phénomène de striction, où la section locale se réduit de manière significative, suivie d'une fracture à l'emplacement de la striction. La surface de fracture apparaît généralement fibreuse ou en forme de coupe et de cône, avec une couleur terne et sans éclat évident.
La fracture ductile est principalement causée par le mouvement et la multiplication des dislocations à l'intérieur du métal. Lorsque le métal est soumis à une force externe, les dislocations glissent sur les plans de glissement, provoquant une déformation plastique des cristaux. Au fur et à mesure que la déformation continue, les dislocations s'emmêlent et s'accumulent, formant des parois de dislocations et des joints de sous-grains. Lorsque la concentration de contraintes locales atteint un certain niveau, elle déclenche la formation et la croissance de microvides. L'interconnexion des microvides conduit finalement à la fracture du métal.
Facteurs d'influence
La composition chimique, la microstructure et la température des matériaux ont des effets significatifs sur la fracture ductile. Par exemple, l'acier contenant des éléments d'alliage appropriés a généralement une meilleure ténacité ;
une structure à grains fins peut améliorer la ténacité du métal ;
tandis que dans les environnements à basse température, la ténacité du métal diminue de manière significative, ce qui rend la fracture ductile plus probable.
Mesures de prévention
Sélectionner correctement les matériaux pour assurer une bonne ténacité ;
optimiser la microstructure du matériau et affiner les grains grâce à des procédés de traitement thermique ;
éviter d'utiliser des matériaux métalliques sensibles aux basses températures dans des environnements à basse température.
Méthode END suggérée
Analyse de désorption thermique, contrôle par ultrasons
Tableau récapitulatif des types de fracture des métaux
| Type de fracture |
Caractéristiques |
Mécanisme de formation |
Méthodes de prévention |
Méthodes d'essai END |
| Fissuration par corrosion sous contrainte (FCSC) |
Aspect fragile, spécifique à l'environnement, imprévisible |
Rupture du film de corrosion → attaque localisée → propagation des fissures |
Sélection des matériaux, relaxation des contraintes, contrôle environnemental |
Contrôle par ressuage, détection des fissures par ultrasons |
| Fracture par fluage |
Surface rugueuse oxydée, déformation dépendante du temps |
Montée des dislocations → glissement des joints de grains → formation de vides |
Alliages haute température, réduction des contraintes, évaluation de la durée de vie |
Mesure de l'épaisseur par ultrasons, analyse métallographique |
| Fracture par fatigue |
Zones lisses + rugueuses, marques de plage, défaillance progressive |
Amorçage des fissures → croissance stable → fracture rapide |
Durcissement de surface, réduction des contraintes, sélection des matériaux |
Contrôle par courants de Foucault, contrôle par magnétoscopie |
| Fracture fragile |
Surface plate, cristalline, déformation plastique minimale, défaillance soudaine |
Propagation des fissures à partir de la concentration des contraintes au niveau des défauts |
Réduction des impuretés, préchauffage, optimisation de l'état de contrainte |
Contrôle par émission acoustique, ultrasons à réseau phasé |
| Fracture ductile |
Surface fibreuse/en forme de coupe-cône, striction visible, aspect sombre |
Mouvement des dislocations → nucléation des vides → coalescence → défaillance |
Affinage des grains, optimisation des alliages, contrôle de la température |
Contrôle par ultrasons, contrôle radiographique |
Référence :
Zhou, Hongyu & Li, Jian & Liu, Jie & Yu, Peichen & Liu, Xinyang & Fan, Zhiyang & Hu, Anqing & He, Yinsheng. (2024). Réduction significative de la durée de vie en fluage d'un coude de tuyau de vapeur P91 causée par une microstructure aberrante après un service à court terme. Rapports scientifiques. 14. 10.1038/s41598-024-55557-w.
https://nte.mines-albi.fr/SciMat/en/co/SM6uc1-4.html
https://www.nde-ed.org/Physics/Materials/Mechanical/NotchToughness.xhtml
https://eengineerkey.com/creep-and-creep-fracture
Votre message doit contenir entre 20 et 3 000 caractères!