Types courants de modes de défaillance en science des matériaux

Types courants de modes de défaillance en science des matériaux

L’échec est l’une des choses les plus importantes auxquelles chaque ingénieur de conception doit faire face. Tous les éléments structurels et les éléments de la machine peuvent ne pas remplir leurs fonctions prévues. Afin de comprendre d’abord toute défaillance d’un élément de la machine, nous devons comprendre de combien de manières possibles un élément de la machine peut tomber en panne. Voyons les types courants de modes de défaillance en science des matériaux.

Types courants de modes de défaillance en science des matériaux

Les éléments de la machine et les éléments structuraux peuvent ne pas remplir leurs fonctions prévues dans trois modes de défaillance généraux.

  1. Défaillance due à une déformation élastique excessive
  2. Défaillance due à la plastification ou à une déformation plastique excessive
  3. Échec dû à une fracture

Une compréhension des types courants de défaillance est importante dans une bonne conception car il est toujours nécessaire de relier les charges et les dimensions de l’élément à un paramètre matériel important qui limite la capacité de charge de l’élément.

Pour différents types de défaillance, différents paramètres significatifs seront importants.

Défaillance due à une déformation élastique excessive

Types courants de modes de défaillance en science des matériaux
Comportement élastique d’un bloc en raison de la charge d’impact

Deux types généraux de déformation élastique excessive peuvent se produire

  1. flèche excessive dans des conditions d’équilibre stable, telle que la flèche d’une poutre sous des charges appliquées progressivement
  2. déviation soudaine, ou flambage, dans des conditions d’équilibre instable.

Une déformation élastique excessive d’une pièce de machine peut signifier une défaillance de la machine tout autant qu’une rupture complète de la pièce. Par exemple, un arbre trop flexible peut provoquer une usure rapide du roulement, ou la déflexion excessive de pièces étroitement accouplées peut entraîner des interférences et endommager les pièces.

Le type de rupture par flambement soudain peut se produire dans une colonne élancée lorsque la charge axiale dépasse la charge critique d’Euler ou lorsque la pression externe agissant contre une coque à paroi mince dépasse une valeur critique.

Les défaillances dues à une déformation élastique excessive sont contrôlées par le module d’élasticité et non par la résistance du matériau.

Généralement, peu de contrôle métallurgique peut être exercé sur le module d’élasticité.

Le moyen le plus efficace d’augmenter la rigidité d’un élément consiste généralement à modifier sa forme et à augmenter les dimensions de sa section transversale.

Défaillance due à un fléchissement ou à une déformation plastique excessive

Types courants de modes de défaillance en science des matériaux
Comportement plastique d’un bloc sous l’effet de la charge d’impact

Le fléchissement, ou déformation plastique excessive, se produit lorsque la limite élastique du métal a été dépassée.

Le fléchissement produit un changement permanent de forme, qui peut empêcher la pièce de fonctionner correctement plus longtemps.

Dans un métal ductile dans des conditions de chargement statique à température ambiante, le rendement entraîne rarement une rupture, car la déformation du métal durcit à mesure qu’il se déforme et une contrainte accrue est nécessaire pour produire une déformation supplémentaire.

La rupture par déformation plastique excessive est contrôlée par la limite d’élasticité du métal pour une condition de chargement uniaxial.

Pour des conditions de chargement plus complexes, la limite d’élasticité reste le paramètre significatif,

mais il doit être utilisé avec un critère de rupture approprié. À des températures nettement supérieures à la température ambiante, les métaux ne présentent plus d’écrouissage.

Au lieu de cela, les métaux peuvent se déformer en continu à contrainte constante dans un rendement dépendant du temps connu sous le nom de fluage.

Le critère de rupture dans des conditions de fluage est compliqué par le fait que la contrainte n’est pas proportionnelle à la déformation et par le fait supplémentaire que les propriétés mécaniques du matériau peuvent changer sensiblement pendant le service.

Échec dû à une fracture

La formation d’une fissure pouvant entraîner une rupture complète de la continuité de l’élément constitue une rupture.

Une pièce en métal ductile qui est chargée statiquement se fracture rarement comme une éprouvette de traction, car elle échouera d’abord par déformation plastique excessive.

Cependant, les métaux échouent par une fracture de trois manières générales :

  1. Fracture fragile soudaine
  2. Fatigue ou fracture progressive
  3. Fracture retardée

Le matériau fragile se fracture sous des charges statiques avec peu de signes extérieurs de plastification.

1. Fracture fragile soudaine

Types courants de modes de défaillance en science des matériaux
Rupture fragile soudaine et rupture de la poutre simplement appuyée

UNE cassant soudain type de rupture peut également se produire dans des métaux habituellement ductiles sous certaines conditions. L’acier de construction au carbone ordinaire est l’exemple le plus courant d’un matériau présentant une transition ductile à fragile.

Le passage du type de rupture ductile au type de rupture fragile est favorisé par une diminution de la température, une augmentation du taux de chargement et la présence d’un état de contrainte complexe dû à une entaille.

2. Fatigue ou fracture progressive

Types courants de modes de défaillance en science des matériaux
Rupture par fatigue d’une tige solide due à un chargement cyclique

La plupart des fractures des pièces de machines sont dues à fatigue. Les ruptures par fatigue se produisent dans des pièces soumises à des contraintes alternées ou fluctuantes. Une minuscule fissure commence à un endroit localisé, généralement à une encoche ou à une concentration de contraintes, et se propage progressivement sur la section transversale jusqu’à la rupture de l’élément.

La rupture par fatigue se produit sans aucun signe visible de plastification à des contraintes nominales ou moyennes bien inférieures à la résistance à la traction du métal.

La rupture par fatigue est causée par une contrainte de traction localisée critique qui est très difficile à évaluer, et donc la conception pour la rupture par fatigue est basée principalement sur des relations empiriques utilisant des contraintes nominales. En savoir plus sur la fatigue ici

3. Fracture retardée

Un type commun de Fracture retardée est une rupture par rupture sous contrainte, qui se produit lorsque le métal a été chargé statiquement à une température élevée pendant une longue période. En fonction de la contrainte et de la température, il peut ne pas y avoir de plastification avant la rupture.

Un type similaire de fracture retardée, dans laquelle il n’y a pas d’avertissement en cédant avant la rupture, se produit à température ambiante lorsque l’acier est chargé statiquement en présence d’hydrogène.

Ce sont tous les modes de défaillance qui peuvent se produire dans les matériaux. Voyons comment nous pouvons contrôler ces modes de défaillance.

Prévenir la défaillance des matériaux lors de la conception des éléments de la machine

  • Tous les matériaux d’ingénierie présentent une certaine variabilité des propriétés mécaniques, qui à son tour peut être influencée par des changements dans le traitement thermique ou la fabrication.
  • De plus, des incertitudes existent généralement concernant l’ampleur des charges appliquées, et des approximations sont généralement nécessaires pour calculer les contraintes pour tous les éléments sauf le plus simple.
  • Ainsi, afin de fournir une marge de sécurité et de se protéger contre une défaillance due à des causes imprévisibles, il est nécessaire que les contraintes admissibles soient inférieures aux contraintes qui produisent la défaillance.
  • La valeur de contrainte pour un matériau particulier utilisé d’une manière particulière qui est considérée comme une contrainte sûre est généralement appelée contrainte de travail σw
  • Pour les applications statiques, la contrainte de travail des métaux ductiles est généralement basée sur la limite d’élasticité σ0 et pour les métaux fragiles sur la résistance ultime à la traction σtu
  • Les valeurs de stress au travail sont établies par les agences locales et fédérales et par des organisations techniques telles que l’American Society of Mechanical Engineers (ASME). Voir toute la liste des normes d’ingénierie.
  • La contrainte de travail peut être considérée comme la limite d’élasticité ou la résistance à la traction divisée par un nombre appelé facteur de sécurité.

σw = σ0/N0

ou

σw = σtu/Ntu


σw = contrainte de travail, psi
σ 0 = limite d’élasticité, psi
σ tu =résistance à la traction, psi
N0 = facteur de sécurité basé sur la limite d’élasticité
Ntu = facteur de sécurité basé sur la résistance à la traction

  • La valeur attribuée au facteur de sécurité dépend d’une estimation de tous les facteurs discutés ci-dessus.
  • En outre, il convient d’accorder une attention particulière aux conséquences qui résulteraient d’un échec.
  • Si une défaillance entraîne la mort, le facteur de sécurité doit être augmenté.
  • Le type d’équipement influencera également le facteur de sécurité.
  • Dans les équipements militaires, où la légèreté peut être une considération primordiale, le facteur de sécurité peut être inférieur à celui des équipements commerciaux.
  • Le facteur de sécurité dépendra également du type de chargement attendu.
  • Pour un chargement statique, comme dans un bâtiment, le facteur de sécurité serait plus faible que dans une machine, qui est soumise à des vibrations et à des contraintes fluctuantes.

Conclusion

Nous avons discuté de différents modes de défaillance dans la science des matériaux et expliqué comment nous pouvons contrôler ces modes de défaillance lors de la conception d’éléments de machine. Parallèlement à cela, nous avons différentes théories de défaillances lorsqu’un composant de machine est soumis à différents types de contraintes différentes. Faites-nous savoir ce que vous en pensez dans la section des commentaires ci-dessous.