Rupture ductile et rupture fragile

Rupture ductile et rupture fragile

En science des matériaux, la fracture est la séparation ou la fragmentation d’un corps solide en deux ou plusieurs parties sous l’action d’une contrainte. Le processus de rupture peut être considéré comme composé de deux composants, l’initiation et la propagation des fissures. Selon le comportement déformation à rupture des métaux, il existe deux types de rupture dans les métaux rupture ductile et rupture fragile. Discutons-en plus en détail.

Rupture ductile et rupture fragile

Comme nous l’avons déjà mentionné, selon le comportement déformation à rupture des métaux, il existe deux types de rupture dans les métaux rupture ductile et rupture fragile. Dans l’article précédent, nous avons discuté de nombreux autres types de fractures dans les métaux. Mais ces deux fractures ductiles et fragiles constituent la classification générale des fractures. Parfois, la fracture peut être à la fois ductile et cassante.

Rupture ductile

La rupture ductile d’un métal se produit après une déformation plastique importante.

Rupture ductile et rupture fragile
Exemple de rupture ductile

Pour simplifier, considérons la rupture ductile d’une éprouvette de traction ronde. Si une contrainte est appliquée à l’éprouvette qui dépasse sa résistance à la traction ultime et est maintenue suffisamment longtemps, l’éprouvette se fracturera.

Trois étapes distinctes de rupture ductile peuvent être reconnues dans la représentation schématique ci-dessous d’un espaceur ductile.

Rupture ductile et rupture fragile
Illustration de rupture ductile
  1. Le spécimen forme un col et des cavités se forment dans la région du col (Collage)
  2. Les cavités du col fusionnent en une fissure au centre de l’éprouvette et se propagent vers la surface de l’éprouvette dans une direction perpendiculaire à la contrainte appliquée (initiation et propagation de fissure)
  3. Lorsque la fissure s’approche de la surface, la direction de la fissure passe à 45° par rapport à l’axe de traction et il en résulte une fracture en coupe et en cône (fracture).

En pratique, les fractures ductiles sont moins fréquentes que les fractures fragiles. La principale cause de rupture ductile est la surcharge du composant. Une surcharge peut survenir pour les raisons suivantes.

(a) Mauvaise conception, y compris le choix du matériau (en cours de conception)
(b) Fabrication incorrecte
(c) le composant est utilisé à des niveaux de charge supérieurs à ceux autorisés par le concepteur

Un exemple de rupture ductile est donné dans l’image suivante. Sur cette figure, l’arbre de transmission d’un véhicule tout-terrain est représenté et a subi une torsion plastique importante. Cela ressort clairement des marques de torsion sur l’arbre dues à la torsion appliquée. Comme nous l’avons mentionné ci-dessus, la raison de l’échec peut être l’une des raisons mentionnées ci-dessus.

Rupture ductile et rupture fragile
Arbre de transmission d’un véhicule tout-terrain (Source : reddit.com/u/jackofmisctrades)

Sur la base d’une analyse technique, la cause de cette défaillance a été attribuée à une charge excessive prise par l’arbre de transmission par rapport à la limite de conception autorisée par l’ingénieur.

Fracture fragile

De nombreux métaux et alliages se fracturent de manière fragile avec très peu de déformation plastique.

Rupture ductile et rupture fragile
Exemple de rupture fragile

L’exemple ci-dessus montre une éprouvette de traction qui s’est rompue de manière fragile. La comparaison de cette figure avec la rupture ductile ci-dessus révèle les différences drastiques dans le niveau de déformation avant la rupture entre les ruptures ductiles et fragiles.

La rupture fragile se déroule généralement le long de plans cristallographiques spécifiques appelés plans de clivage sous une contrainte normale au plan de clivage.

De nombreux métaux avec la structure cristalline HCP présentent généralement une rupture fragile en raison de leur nombre limité de plans de glissement.

Un monocristal de zinc, par exemple, soumis à une forte contrainte normale aux plans (0001) se fracturera de manière cassante. De nombreux métaux BCC tels que le fer, le molybdène et le tungstène se fracturent également de manière fragile à basses températures et à des taux de déformation élevés.

La plupart des fractures fragiles dans les métaux polycristallins sont transgranulaires, c’est-à-dire que les fissures se propagent à travers la matrice des grains. Cependant, une rupture fragile peut se produire de manière intergranulaire si les joints de grains contiennent un film fragile ou si la région des joints de grains a été fragilisée par la ségrégation d’éléments nuisibles.

On pense que la rupture fragile des métaux se déroule en trois étapes :

  1. La déformation plastique concentre les dislocations le long des plans de glissement au niveau des obstacles.
  2. Les contraintes de cisaillement s’accumulent aux endroits où les dislocations sont bloquées et, par conséquent, des microfissures sont nucléées.
  3. Une contrainte supplémentaire propage les microfissures et l’énergie de déformation élastique stockée peut également contribuer à la propagation des fissures.
Rupture ductile et rupture fragile
Exemple de rupture fragile dans un arbre avec clavette

Causes de fracture fragile

  • Dans de nombreux cas, des fractures fragiles se produisent en raison de l’existence de défauts dans le métal. Ces défauts se forment soit au stade de la fabrication, soit se développent au cours du service.
  • Des défauts indésirables tels que des plis, de grosses inclusions, un flux de grain indésirable, une mauvaise microstructure, une porosité, des déchirures et des fissures peuvent se former au cours des opérations de fabrication telles que le forgeage, le laminage, l’extrusion et le moulage.
  • Les fissures de fatigue, la fragilisation due à l’hydrogène atomique et les dommages dus à la corrosion entraînent souvent une rupture fragile finale.
  • Lorsqu’une rupture fragile se produit, elle s’initie systématiquement à l’emplacement du défaut (élévateurs de contrainte) quelle que soit la cause de la formation du défaut.
  • Certains défauts, des températures de fonctionnement basses ou des taux de chargement élevés peuvent également provoquer la rupture fragile de certains matériaux modérément ductiles.
  • La transition du comportement ductile au comportement fragile est appelée transition ductile à fragile (DBT). Ainsi, des matériaux ordinairement ductiles peuvent, dans certaines circonstances, se rompre de manière cassante.
  • L’image suivante montre la fracture fragile d’un arbre en raison de l’existence d’un coin pointu comme défaut, notez le motif en chevron pointant vers l’origine de la fracture.
Rupture ductile et rupture fragile
Fracture fragile due à un angle vif et à un motif en chevron

Température de transition ductile à fragile (DBT)

Comme mentionné ci-dessus, dans certaines conditions, une modification marquée de la résistance à la rupture de certains métaux est observée en service, appelée transition ductile à fragile. Les basses températures, les états de contrainte élevés et les taux de chargement rapides peuvent tous provoquer un comportement fragile d’un matériau ductile.

  • Cependant, habituellement, la température est choisie comme la variable qui représente cette transition tandis que le taux de charge et le taux de contrainte sont maintenus constants.
  • L’appareil d’essai d’impact décrit dans l’article précédent peut être utilisé pour déterminer la plage de température pour la transition du comportement ductile au comportement fragile des matériaux.
  • La température de l’éprouvette Charpy peut être réglée à l’aide de fours et de groupes frigorifiques.
  • Bien que certains métaux présentent une température DBT distincte pour beaucoup, cette transition se produit sur une plage de températures. Ceci est illustré dans le graphique ci-dessous.
Effet de la température sur l'énergie absorbée lors de l'impact par différents types de matériaux
Graphique : Effet de la température sur l’énergie absorbée lors de l’impact par différents types de matériaux
  • Le graphique ci-dessus montre que les métaux FCC ne subissent pas de DBT et, par conséquent, conviennent à une utilisation à basse température.
  • Les facteurs qui influencent la température DBT sont la composition de l’alliage, le traitement thermique et le traitement.
  • Par exemple, la teneur en carbone des aciers recuits affecte cette plage de température de transition. Ceci est illustré dans le graphique ci-dessous.
Effet de la teneur en carbone sur les tracés de température d'énergie d'impact pour les aciers recuits.
Graphique : Effet de la teneur en carbone sur les courbes de température de l’énergie d’impact pour les aciers recuits.
  • Les aciers recuits à faible teneur en carbone ont une plage de transition de température plus faible et plus étroite que les aciers à haute teneur en carbone.
  • De plus, à mesure que la teneur en carbone des aciers recuits augmente, les aciers deviennent plus fragiles et moins d’énergie est absorbée lors de l’impact pendant la rupture.

La transition ductile à fragile est une considération importante dans la sélection des matériaux pour les composants qui fonctionnent dans des environnements froids. Par exemple, les navires qui naviguent dans les eaux froides et les plates-formes offshore situées dans les mers arctiques sont particulièrement sensibles au DBT. Pour de telles applications, les matériaux sélectionnés doivent avoir une température DBT nettement inférieure à la température de fonctionnement ou de service.

Conclusion

Nous avons compris que la rupture ductile est principalement due à une surcharge du composant et qu’elle est moins fréquente que les ruptures fragiles. Les fractures fragiles se produisent principalement en raison de l’existence de défauts dans le métal dus à la formation du matériau ou au processus de fabrication. Et cette rupture fragile est plus fréquente que la rupture ductile. Parfois, des fractures combinées sont également possibles. Et l’un des aspects les plus importants est la température de transition ductile à fragile des métaux qui provoquent la rupture fragile. Nous devons prévenir les fractures fragiles à tout prix. Faites-nous savoir ce que vous pensez de ces sujets dans la section des commentaires ci-dessous.