MECANISMES DE RUPTURE ET DE CROISSANCE DE FISSURES Claude ROBIN Ecole des Mines de Douai Mai décembre 2010 Mécanismes de rupture et de croissance de fissure Introduction Rupture par clivage Rupture ductile Fissuration par fatigue Conclusion 22
Introduction Il ne suffit pas de connaître le champ des contraintes, il faut savoir aussi comment se produit la rupture. L étude des mécanismes de rupture a pour but de comprendre les processus de rupture et de fournir un critère de rupture. Quelques exemples vont illustrer ce fait. Il existe deux types de ruptures, les ruptures fragiles et les ruptures ductiles. 33 Exemple : le naufrage du TITANIC Le Titanic a commencé son premier et dernier voyage pour New York le 10 Avril 1912 à partir de Southampton. Il a sombré deux jours plus tard à 11H40 44
Composition et propriétés mécaniques de l acier du Titanic C Mn P S Si Cu O N Mn/S Titanic 0,21 0,47 0,045 O,O69 0,017 0,024 0,013 0,0035 6.8:1 ASTM A36 0,20 0,55 0,012 0,037 0,007 0,01 0,079 0,0032 14.9:1 Titanic SAE 1020 Limite d élasticité 193.1 MPa 206.9 MPa Résistance ultime 417.1 MPa 379.2 MPa allongement 29% 26% 55 Striction 57.1% 50% Micrographie de l acier du Titanic Acier du Titanic Acier SAE 1020 66
Le faciès de rupture de l acier du Titanic est un faciès à clivage d une rupture fragile La rupture est facilement amorcée à partir d inclusions de sulfures elliptiques. 77 Rupture fragile / rupture ductile Les déformations à rupture, l énergie de rupture, les faciès de rupture sont différents Charge P P c Charge P P c d c déplacement d c déplacement 88 Rupture fragile Rupture ductile
Détermination de la résilience MOUTON CHARPY cadran bras marteau frein 99 Eprouvette Charpy La résilience est le quotient de l'énergie de rupture Ur divisée par la section à rompre A. 45 Entaille Elle s'exprime en daj/cm2 selon : K CV = U r A 10 R 0,25 2 55 a 10
Influence de la microstructure sur la transition fragile-ductile Energie de rupture (Joules) 400 300 Acier doux Acier 0,3% C 200 Acier à 0,5% C 100 11-100 0 100 C Rupture fragile / rupture par clivage La rupture par clivage se caractérise par une déformation à rupture faible et une énergie à rupture faible Elle se produit le long de plans cristallographiques appelés plans de clivage : ils correspondent aux plans de densité atomique maximale et diffèrent selon le système cristallographique du matériau Le faciès de rupture présente un aspect brillant à grains 12
Rupture par clivage Rupture suivant un plan cristallographique bien défini Fer : (100) hexagonal compact (001) Rupture fragile pas de déformation plastique. Rupture transgranulaire Le clivage se produit par séparation directe le long de plans cristallographiques due à une simple rupture de liaisons atomiques. 13 Plan de clivage Réseau cristallin cubique centré 14 Familles de plans de clivage
Aspects micrographiques de la rupture par clivage - aspect brillant de la surface de rupture - aspect plat dans un grain avant changement d'orientation d'un grain à l'autre plan de la fissure de joint de grain dislocation vis marche de clivage - au microscope : apparition de marches rivière 15 Le clivage Les marches sont parallèles à la direction de la propagation des fissures et perpendiculaires au plan de la fissure. Plusieurs marches peuvent se rejoindre entraînant la formation de rivières Formation de languettes de clivage dues à la présence de macles. Les structures cubique centrée et hexagonale compacte sont favorables à la rupture par clivage. 16 C est un procédé de déformation fragile contraintes critiques de clivage.
Le déclenchement du clivage Le clivage se déclenche lorsque localement la contrainte dépasse un seuil critique, appelé contrainte de clivage Pour dépasser ce seuil, il est nécessaire d amplifier localement la contrainte globale Par empilement de dislocations Par coalescence de dislocations Par rupture de carbures Par maclage 17 Influence de la température et de la vitesse de déformation Évolution de la température de transition résilience Une température basse et une vitesse de déformation élevée favorisent la rupture par clivage 18
Faciès de rupture fragile 19 Rupture ductile La rupture ductile se caractérise par Une forte énergie de rupture Une importante déformation à rupture Un faciès mat et fibreux Possibilité de déformation plastique importante. Le type le plus courant de rupture ductile est la rupture par traction avec apparition de striction Dans les matériaux très purs, on peut observer des déformations plastiques importantes 20
La rupture ductile Dans les matériaux courants, il existe une grande quantité de particules de seconde phase grandes particules (1-20 m) composées de différents éléments d'alliages : elles sont souvent très fragiles et ne peuvent donc accommoder la déformation plastique de la matrice : elles cassent très vite par formation de trous. particules de taille intermédiaire (500 à 5000 A ) particules de précipités uniquement visibles au microscope électronique (50 à 500 A ) 21 Mécanisme de la rupture ductile Comme ces particules ne peuvent pas se déformer aussi facilement que la matrice, elles perdent leur cohérence avec la matrice quand une déformation plastique intense se produit dans leur voisinage formation de minuscules trous qui croissent par glissement. Matrice Sollicitation cône 22 Cavités Précipité cupule
Faciès de rupture ductile 23 Faciès de rupture ductile 24
La fissuration par fatigue zone d'amorçage : pas toujours visible (il peut y en avoir plusieurs, pas forcément dans le même plan). Se produit souvent à partir d'un défaut de surface. zone de propagation de fissure par fatigue assez plate, lisse, marquée par des lignes d'arrêt correspondant à un arrêt momentané de la fissuration et par des lignes radiales correspondant à un changement de plan de fissuration. zone de rupture finale, plus tourmentée 25 La fissuration par fatigue : du point de vue microscopique surface souvent marquée par des microreliefs appelées stries de fatigue (dépend du matériau - différent des lignes d'arrêt). Une strie de fatigue correspond à un cycle de sollicitation. la présence de stries (surtout pour les matériaux cubiques face centrée alu ou inox) est une preuve irréfutable qu'il y a eu phénomène de fatigue mais leur absence ne signifie pas qu'il n'y a pas eu phénomène de fatigue. 26 Rupture transgranulaire
Rupture d éprouvettes en fatigue multiaxiale 27 Faciès de rupture en fatigue 1.5mm to the center 2.0mm to the center 28 Alliage d aluminium
Modèle d amorçage de fissure modèle d'amorçage de fissure 29 Modèle de formations de stries de fatigue 30 modèle de formation des stries
FISSURES AMORCEE SUR LE BANDAGE DE LA ROUE 31 Mécanisme de fissuration par émoussement de la fissure 32
Fissuration intergranulaire 33 Merci de votre attention Claude ROBIN claude.robin@mines-douai.fr