Qu’est-ce que le fluage
Il s’agit d’un mécanisme de défaillance qui peut se produire dans un matériau exposé pendant une durée prolongée à une charge inférieure à sa limite élastique (contrainte d’élasticité), le matériau s’allongeant vers la force ou la charge appliquée. Le taux de déformation augmente avec l’augmentation de la température, il est donc important de connaître la vitesse de déformation à une charge et une température données si les composants doivent être conçus en toute sécurité pour un service à haute température. A cet effet, des alliages résistants au fluage sont développés. Tous les métaux et alliages sont concernés par le fluage.
Dans les métaux, la rupture par fluage se produit aux joints de grains, comme le montre la figure ci-dessous, sous la forme d’une fracture intergranulaire. La figure 1 ci-dessous montre les vides qui se forment sur les joints de grains au début de l’endommagement par fluage.
Types d’échecs de fluage
Les ruptures par fluage sont attribuées à une charge continue appliquée au matériau à température élevée. Les ruptures de fluage qui en résultent peuvent être distinguées en fonction de l’apparence de la fracture en métallographie. De plus, les ruptures par fluage sont caractérisées par :
- Échec de fluage intergranulaire : résultat d’une exposition de plus longue durée à des températures élevées et à des contraintes.
- Rupture par fluage transgranulaire : résultats d’un fluage de courte durée apparaissant comme une ductilité élevée et une réduction de surface, créant une fracture bombée.
- Rupture ponctuelle Rupture par fluage : résultat d’une température élevée et de faibles contraintes.
Étapes de la rupture par fluage dans les matériaux
La rupture par fluage se produit en trois phases différentes dans les matériaux lorsqu’ils sont soumis à leur température de fluage. Dans ces étapes de fluage, le matériau perd progressivement sa solidité et forme des vides de fluage. Ces vides de fluage sous une charge supplémentaire se propageront dans les fissures induites par le fluage.
- Fluage primaire :une augmentation rapide de la longueur où le taux de fluage diminue à mesure que le travail du métal durcit.
- Fluage secondaire (état stationnaire) :Le fluage de l’étage secondaire est également appelé régime permanent sur la courbe de fluage. Le taux de fluage ici est presque plat. L’étape de fluage secondaire est la plus longue sur le graphique temporel à se produire par rapport aux autres étapes de fluage.
- Fluage tertiaire : Cela se produit lorsque la durée de vie au fluage est presque épuisée, que des vides se sont formés dans le matériau et que la section efficace a été réduite. La vitesse de fluage s’accélère à mesure que la contrainte par unité de surface augmente jusqu’à ce que l’éprouvette finisse par céder.
Différentes étapes de fluage et leurs conditions matérielles respectives sont illustrées dans la figure 2 ci-dessous.
Mécanisme de rupture par fluage
Les métaux soumis à des températures et à des contraintes élevées (bien inférieures à la limite d’élasticité à haute température) entraînent une déformation plastique permanente connue sous le nom de fluage. . La figure ci-dessous montre une représentation d’une courbe de fluage pour le métal sous charge constante ; L’axe vertical montre le changement de longueur en fonction du temps sur l’axe horizontal. La charge appliquée est constante pendant cet essai de fluage. Sur la base de ce graphique, le fluage peut être caractérisé par quatre étapes :
- Extension initiale
- Stade de fluage primaire
- Étape de fluage secondaire
- Phase de fluage tertiaire
- Au premier stade, l’extension initiale a lieu en partie d’origine élastique, du point « 0 » au point « A » dans le graphique ci-dessus.
- À l’étape suivante, le fluage primaire a lieu. Ici, le taux de déformation et d’allongement diminue avec le temps, c’est ce qu’on appelle le fluage transitoire ou primaire. Reportez-vous du point A au point B dans le graphique ci-dessus. Les changements du Point-0 au Point-B se font rapidement.
- Pendant la période de fluage secondaire, le taux de déformation ou le taux de fluage est presque constant, comme le montre le graphique ci-dessus. Ce taux de fluage est presque linéaire et prévisible. La quantité de fluage secondaire qui peut avoir lieu lors d’essais en laboratoire peut être de deux ans ou pour une pièce en service peut prendre des décennies. Le fluage secondaire est illustré du point B au point C dans le graphique ci-dessus.
- Le fluage tertiaire ou la dernière étape du fluage et la quatrième région de la courbe de fluage, après le fluage linéaire secondaire, présentent une vitesse de fluage rapide qui entraîne la rupture du matériau. À ce stade, même si la charge appliquée est constante, la contrainte réelle exercée sur le matériau est suffisante pour provoquer une défaillance due aux dommages que le matériau a subis jusqu’à présent. Le fluage tertiaire est illustré du point C au point D dans le graphique ci-dessus.
Caractéristiques des ruptures de fluage
Les principales caractéristiques des échecs de fluage en général sont :
- Bulles et renflements sur la matière.
- Aspect de fracture large sans aucune ductilité significative.
- Discontinuités et fissures intergranulaires apparaissant dans la microstructure.
- Dépôt de tartre d’oxyde sur la surface du matériau intégralement ou à l’extérieur.
Température initiale de fluage des matériaux
Le fluage est une déformation dépendante de la température qui se produit dans les matériaux. Lorsque la température augmente, la vitesse de fluage augmente également. Ainsi, la température joue un rôle important dans le fluage du matériau. La température de fluage initiale de l’acier au carbone, du C-0,5Mo, du 1,25Cr-0,5Mo, du 2,25Cr-1Mo et de l’acier inoxydable est indiquée dans le tableau ci-dessous.
| type de materiau | Température o F ( o C) |
| Acier Carbone | 800 o F (427 °C) |
| C-1/2Mo | 850 oF (454 °C) |
| 1 1/4Cr-1/2Mo | 950 o F (510 °C) |
| 2 1/4Cr-1Mo | 1000 oF (537°C) |
| Acier inoxydable | 1050 oF (565°C) |
Échec de fluage contre échec de fatigue
Pendant la fatigue, le matériau est soumis à un chargement cyclique. La contrainte de conception ou la résistance à l’endurance utilisée dans le chargement de fatigue est beaucoup plus faible que la limite d’élasticité et la résistance ultime des métaux. Vous pouvez comprendre la fatigue par un exemple de fil simple. Si vous prenez un fil (tige) en acier au carbone de 2 millimètres de diamètre et que vous essayez de le casser en appliquant une tension, il ne se cassera pas. Mais en le pliant et le dépliant de manière cyclique, cela entraînera un échec ultime.
D’autre part, le fluage se produit lorsqu’un matériau subit une déformation sous une charge constante avec le temps lors de sa mise en service. Le taux de déformation augmentera avec une température plus élevée car le matériau sera plus ductile. Par exemple, si vous prenez une bande de 1/2 pouce (12 millimètres) X 2 pouces (50 mm) et mettez dessus une charge de 40 lb (20 kg) à température ambiante et une autre à température plus élevée. Vous remarquerez avec le temps que l’échantillon sous haute température se déformera davantage par rapport à un échantillon à température ambiante.
