Qu’est-ce que le fluage et la rupture sous contrainte des métaux ?

Qu'est-ce que le fluage et la rupture sous contrainte des métaux ?

Lorsqu’un métal ou un alliage est soumis à une charge ou à une contrainte constante, il peut subir une déformation plastique progressive sur une période de temps. Cette déformation dépendante du temps est appelée ramper. La rupture sous contrainte des métaux fait référence à la rupture soudaine et complète d’un matériau sous contrainte lorsqu’il y a une charge constante des métaux. Voyons plus de détails sur ce qu’est le fluage et la rupture sous contrainte des métaux avec des tests.

Qu'est-ce que le fluage et la rupture sous contrainte des métaux ?

Comme nous l’avons mentionné ci-dessus, le fluage est la déformation plastique progressive des métaux sous une charge ou une contrainte constante par rapport au temps. En termes d’ingénierie, la déformation dépendant du temps est appelée le fluage du métal.

Le fluage des métaux et des alliages est très important pour certains types de conceptions techniques, en particulier celles fonctionnant à des températures élevées telles que les aubes de turbine à réaction ou les conduites de vapeur.

Exemple d'aube de turbine à réaction
Exemple d’aube de turbine à réaction

Par exemple, disons qu’un ingénieur qui sélectionne un alliage pour les aubes de turbine d’un moteur à turbine à gaz doit choisir un alliage avec un très faible taux de fluage afin que les aubes puissent rester en service pendant une longue période de temps avant de devoir être remplacées en raison de leur atteinte de la contrainte maximale admissible.

Pour de nombreuses conceptions techniques fonctionnant à des températures élevées, le fluage des matériaux est le facteur limitant par rapport à la température de fonctionnement.

Considérons le fluage d’un métal polycristallin pur à une température supérieure à la moitié de son point de fusion absolu, (1/2)TM (fluage à haute température).

Considérons également une expérience de fluage dans laquelle une éprouvette de traction recuite est soumise à une charge constante d’amplitude suffisante pour provoquer une déformation de fluage importante. Lorsque le changement de longueur de l’échantillon sur une période de temps est tracé en fonction des incréments de temps, une courbe de fluage, telle que celle illustrée ci-dessous dans le graphique 1, est obtenue.

Graphique 1 : Une courbe de fluage typique pour un Métal

La courbe représente le comportement temps/déformation d’un métal ou d’un alliage sous une charge constante à une température constante. La deuxième étape du fluage (fluage linéaire) est la plus intéressante pour l’ingénieur de conception car un fluage important se produit dans ces conditions.

Dans la courbe de fluage idéalisée de, comme indiqué ci-dessus, il y a d’abord un allongement instantané et rapide de l’échantillon, Є0.

  1. Suite à cela, l’échantillon présente un fluage primaire dans lequel la vitesse de déformation diminue avec le temps. La pente de la courbe de fluage (dЄ/dt ou Є) est appelée vitesse de fluage. Ainsi, lors du fluage primaire, la vitesse de fluage décroît progressivement avec le temps.
  2. Après le fluage primaire, la deuxième étape du fluage se produit dans laquelle la vitesse de fluage est essentiellement constante et est donc également appelée fluage en régime permanent.
  3. Enfin, une troisième ou troisième étape de fluage se produit dans laquelle la vitesse de fluage augmente rapidement avec le temps jusqu’à la déformation à la rupture. La forme de la courbe de fluage dépend fortement de la charge appliquée (contrainte) et de la température. Des contraintes plus élevées et des températures plus élevées augmentent la vitesse de fluage.

Comprendre les étapes de la courbe de fluage

1. Étape primaire dans la courbe de fluage : Pendant le fluage primaire, le métal durcit pour supporter la charge appliquée et la vitesse de fluage diminue avec le temps à mesure que l’écrouissage devient plus difficile.

2. Étape secondaire dans la courbe de fluage : À des températures plus élevées au-dessus d’environ 0,5 TM pour le métal pendant le fluage secondaire, les processus de récupération impliquant des dislocations hautement mobiles contrecarrent l’écrouissage de sorte que le métal continue à s’allonger (fluer) à une vitesse constante, comme le montre la courbe de fluage ci-dessus.

La pente de la courbe de fluage (dЄ/dt = Є) dans l’étage secondaire de fluage est appelée vitesse de fluage minimale. Lors du fluage secondaire, la résistance au fluage du métal ou de l’alliage est la plus élevée.

3. Stade tertiaire dans Creep Curve : Enfin, pour une éprouvette à charge constante, la vitesse de fluage s’accélère dans l’étape tertiaire du fluage du fait de la striction de l’éprouvette mais aussi de la formation de vides, notamment aux joints de grains. La figure ci-dessous montre une fissuration intergranulaire dans un acier inoxydable de type 304L qui a subi une rupture par fluage.

Qu'est-ce que le fluage et la rupture sous contrainte des métaux ?
Une aube de turbine de turboréacteur a subi une déformation par fluage, provoquant une déformation locale et une multiplicité de fissures intergranulaires.

À basse température inférieure à 0,4 TM et de faibles contraintes, les métaux présentent un fluage primaire mais un fluage secondaire négligeable car la température est trop basse pour le fluage de récupération par diffusion. Cependant, si la contrainte sur le métal est supérieure à la résistance à la traction ultime, le métal s’allongera comme dans un essai de traction technique ordinaire. En général, à mesure que la contrainte sur le métal subissant le fluage et sa température augmentent, la vitesse de fluage est également augmentée. Ceci est illustré dans le graphique de courbe de fluage 2 ci-dessous.

Effet d'une contrainte croissante sur la forme de la courbe de fluage d'un métal
Graphique 2 : Effet d’une contrainte croissante sur la forme de la courbe de fluage d’un métal (schéma).
Notez que lorsque la contrainte augmente, le taux de déformation augmente.

La pente de la partie linéaire de la courbe est le taux de fluage en régime permanent dans le graphique 3 ci-dessus.

Données de test de fluage

Les effets des températures et des contraintes sur la vitesse de fluage sont déterminés par le test de fluage. Plusieurs tests de fluage sont exécutés en utilisant différents niveaux de contrainte à température constante ou différentes températures à contrainte constante, et les courbes de fluage sont tracées comme indiqué ci-dessous dans le graphique 3.

Graphique 3 : Courbe de fluage pour un alliage de cuivre testé à 225°C et 230 MPa (33,4 ksi).

La vitesse de fluage ou la pente minimale de la deuxième étape de la courbe de fluage est mesurée pour chaque courbe, comme indiqué dans le graphique ci-dessus. La contrainte pour produire un taux de fluage minimum de 10−5 %/h à une température donnée est une norme commune pour la résistance au fluage.

Dans le graphique 4 ci-dessous, la contrainte pour produire un taux de fluage minimum de 10−5 %/h pour l’acier inoxydable de type 316 peut être déterminé par extrapolation.

Effet de la contrainte sur la vitesse de fluage de l'acier inoxydable de type 316 à différentes températures
Graphique 4 : Effet de la contrainte sur la vitesse de fluage de l’inox type 316 à différentes températures

Résolvons un exemple de problème sur la façon de calculer le taux de fluage pour l’alliage de cuivre, comme indiqué dans le graphique 3 ci-dessus.

Exemple de problème pour trouver le taux de fluage

Déterminez la vitesse de fluage en régime permanent pour l’alliage de cuivre dont la courbe de fluage est illustrée dans le graphique 3 ci-dessus.

Réponse:

La vitesse de fluage en régime permanent de cet alliage pour la courbe de fluage représentée sur le graphique 3 est obtenue en prenant la pente de la partie linéaire de la courbe telle qu’indiquée sur le graphique. Ainsi,

Vitesse de fluage = ΔЄ / Δt
= (0,0029 − 0,0019) / (1000h − 200h)
= (0,001 pouce/pouce) / (800 h)
= 1,2 × 10-6 po/po/h

Fluage – Données d’essai de rupture

L’essai de rupture par fluage ou de rupture par contrainte est essentiellement le même que l’essai de fluage sauf que les charges sont plus élevées et que l’essai est effectué jusqu’à la rupture de l’éprouvette. Les données de fluage-rupture sont tracées sous forme de log contrainte par rapport au log temps de rupture, comme le montre le graphique 5.

Fluage - Données d'essai de rupture
Graphique 5 : Effet de la contrainte sur le temps de rupture de l’inox type 316 à différentes températures

En général, le temps nécessaire à la rupture sous contrainte diminue à mesure que la contrainte et la température appliquées augmentent. Les changements de pente observés dans le graphique 5 ci-dessus sont causés par des facteurs tels que la recristallisation, l’oxydation, la corrosion ou les changements de phase.

Conclusion

Nous avons discuté du fluage dans les métaux et discuté des différentes étapes du fluage à l’aide d’une courbe de fluage typique pour les métaux d’alliage. Également donné certaines des données de test pour les alliages de cuivre et les données de vitesse de fluage de l’acier inoxydable et résolu un exemple de problème pour connaître la vitesse de fluage de l’alliage de cuivre. Parmi les autres défaillances matérielles, la rupture par rupture, la rupture par fatigue et la rupture par fluage sont observées lors de la phase de test des prototypes. Tous ces concepts sont très importants pour que chaque ingénieur de conception devrait avoir une compréhension approfondie.