L analyse de défaillance: investissement stratégique

L analyse de défaillance: investissement stratégique 1. Généralités sur l analyse de défaillance 2. Analyse morphologique des ruptures 3. Exemples industriels Cas concrets 4. Analyse de défaillance corrosion 5. Exemple concret de rupture liée à la corrosion

Généralités sur l analyse de défaillance On parle de DEFAILLANCE lorsqu une pièce n est plus apte à remplir la fonction qui lui a été assignée. Exemples : rupture, fissure, corrosion, usure etc

Généralités sur l analyse de défaillance L analyse de défaillance sous-utilisée Le coût moyen de la non-qualité en France, se traduisant par des pertes, des rebuts ou des réparations, est de 10 à 15% du chiffre d affaire des industries. Seul un quart des entreprises mènent des analyses de défaillances. 10% d entre elles ont une véritable stratégie visant à tirer un profit maximum de ces défaillances, en vue d améliorer la qualité des produits.

Généralités sur l analyse de défaillance On se contente souvent de vérifier la qualité des matériaux, qui n explique que 10% des cas de défaillances. Qualité du matériau Utilisation 10% 15% Conception Réalisation 50% 25% Causes de rupture (source : Techniques de l Ingénieur)

Cout du traitement d'une défaillance Généralités sur l analyse de défaillance 160 DISTRIBUTION 140 120 100 80 60 PRODUCTION 40 20 0 avant chaine de fabrication en cours de fabrication en sortie de chaine de fabrication avant livraison en retour clientèle en retour clientèle (expertise judiciaire) Incidence d un défaut de fabrication au cours de la vie d une pièce dans le secteur automobile.

Généralités sur l analyse de défaillance Une défaillance, tout comme une non-conformité dans le domaine de la qualité, est un échec dont on doit tirer profit pour éviter qu'il ne se répète. Généralement, une pièce cassée est considérée comme rebut; or celle-ci représente le résultat d'un "essai industriel" involontaire en grandeur nature. L'analyse de défaillance est aujourd'hui plus que jamais un investissement rentable puisqu'elle est un vecteur de progrès.

L analyse de défaillance Analyse morphologique des ruptures

Analyse morphologique des ruptures La fractographie est indispensable pour permettre un diagnostic fiable. Elle permet de déterminer notamment le mode de rupture ainsi que le type de sollicitations Examen macrographique Zones et plan de rupture Zone(s) d amorçage(s) Aspect (brillant oxydé) Texture (fine granuleuse)

Analyse morphologique des ruptures Examen microfractographique (Microscope Electronique à Balayage) Caractérisation du faciès de décohésion Ductile, fragile ou fatigue Mesure de distances inter stries Caractérisation d éventuels défauts

Analyse morphologique des ruptures Différents types de rupture -Rupture par fissuration rapide (ruptures brutales) -Ductile -Fragile -Semi-fragile -Rupture par fissuration progressive -Fatigue

Caractères généraux des ruptures brutales Sollicitations monotones croissantes ou statiques 1. Premier cas Les déformations plastiques sont importantes Le faciès est à nerfs ou en biseau C est une rupture ductile

Domaines : Elastique, Plastique, Comportements : Ductile, Fragile Re Rm F/S 0 Essai de traction Fragile Rm Re Ductile Durcissement plastique Striction Domaine élastique Domaine plastique

Rupture ductile - Faciès à «nerf» X 1000 Faciès d aspect mat et fibreux (prédominance d arrachement)

Analyse morphologique des ruptures

Analyse morphologique des ruptures Rupture par fissuration rapide Rupture ductile Ce type de rupture est souvent la conséquence d un dysfonctionnement. Obtenue par dépassement des charges admissibles.

Caractères généraux des ruptures brutales Sollicitations monotones croissantes ou statiques 2. Deuxième cas Les déformations plastiques sont inexistantes Le faciès est à grains C est une rupture fragile

Rupture fragile

Rupture fragile Pas de déformation plastique (Re Rm) Propagation rapide des fissures Intergranulaire (Décohésion intergranulaire favorisée par ségrégations ou précipitations aux joints de grains, ) Fragilisation du joint de grain) Transgranulaire (Clivage suivant plans cristallographiques spécifiques : plans de clivage) Re = Rm Faciès à grains : brillant (par opposition à ductile : aspect mat)

Microscope Electronique à Balayage Faciès inter-granulaire Faciès transgranulaire

Rupture brutale Sollicitation de traction

Rupture brutale Sollicitation de compression

Caractères généraux des ruptures brutales Sollicitations monotones croissantes ou statiques 3. Troisième cas Les déformations plastiques sont faibles ou inexistantes Le faciès est décoré de reliefs C est une rupture semi-fragile

Localisation du site d amorçage sur les ruptures semi-fragiles 1. Les reliefs marquent le sens de la propagation Ils rayonnent depuis l amorce 2. Les sommets des chevrons pointent vers l amorce

Caractères généraux des ruptures par fissuration progressive Ruptures de fatigue sous sollicitations répétées d origine mécanique ou thermique. Rupture se produisant en plusieurs étapes Initiation ou Amorçage Fissuration progresive Rupture finale Mode de rupture le plus répandu

Caractères généraux des ruptures par fissuration progressive Deux zones distinctes : une (des) zone(s) de fissuration progressive une zone de rupture finale brutale.

Caractères généraux des ruptures par fissuration progressive La (les) zone(s) de fissuration progressive : un aspect lisse et soyeux, des lignes frontales ou d arrêt, une superficie plus ou moins grande suivant le taux de chargement et le matériau, une ou plusieurs amorces.

Point de départ ou foyer de la fissuration On le représente par : Amorçage des ruptures par fissuration progressive A Les causes sont : externes (les plus fréquentes), ou internes.

Les lignes d arrêt ou lignes frontales Elles ont deux causes principales : a) les arrêts de machine, b) les variations de régimes. Elles sont représentées par : A Elles sont inexistantes si : a) pas de modification de régime, b) amplitude de chargement très élevé, c) matériau peu ou pas ductile (fontes, aciers très résistants, etc )

Caractères généraux des ruptures par fissuration progressive Stries de fatigue visibles au MEB

Rupture de fatigue en flexion rotative

Caractères généraux des ruptures par fissuration progressive Flexion rotative Traction

Caractères généraux des ruptures par fissuration progressive Les causes : Conception Tenue en fatigue non calculée Zones de concentration de contraintes (rayon insuffisant, rugosité ) Métallurgie Défaut matière Défaut de traitement thermique Contraintes internes (de tension) Mécanique Usure Vibrations Environnement Corrosion

Les défaillances par corrosion 1. Qu est ce que la corrosion? 2. Les formes de corrosion 3. Exemple - Etude de cas

Qu est ce que la corrosion? CORROSION: Corrodere = ronger, attaquer Dégradation ou transformation du matériau et de ses propriétés par réaction physico-chimique avec l environnement La CORROSION traduit donc L INTERACTION entre la SURFACE d un MATERIAU et son ENVIRONNEMENT MATERIAU REACTION DE CORROSION ENVIRONNEMENT SURFACE

Qu est ce que la corrosion? LA CORROSION AFFECTE TOUS LES MATERIAUX : Matériaux Métalliques Organiques (polymères) Minéraux (céramiques)

Comportement d un matériau à la corrosion dépend d une multitude de facteurs Conception Géométrie des pièces Type d assemblage Contraintes (statiques, dynamiques, ) Chocs, Frottement, SOLLICITATIONS MECANIQUES Propreté de surface Nature du matériau Composition chimique Propreté inclusionaire Mode d élaboration Mode de mise en forme Etat métallurgique Etat de surface Condition de service Période d arrêt Fréquence des maintenances MATERIAU COMPORTEMENT A LA CORROSION ENVIRONNEMENT CHIMIQUE PARAMETRES PHYSIQUES T, pression, Convection, agitation, stagnation, aération Mise en œuvre Soudage Huile de lubrification Peinture Nature (atmosphères, eaux, sols humides, ) Composition, exposition, ph, O 2, bactéries

Comportement d un matériau à la corrosion dépend d une multitude de facteurs Milieux environnants rencontrés dans l utilisation des métaux Milieux aqueux Milieux non aqueux Gaz Eaux Milieux chimiques Atmosphère Alimentation Liquides organiques Métaux fondus Sels fondus, laitiers, Vapeur Oxygène Fumées Eaux de mer, estuaires, rivières, eaux potables, Acides, bases, milieux neutres, effluents, Humide, industrielle, marine, rurale, Biologie, conserverie, biomédical, Humide, sèche Température ambiante ou à chaud Industrielles, incinérateurs, Divers H 2 S, SO 2, SO 3, NH 3, CO, CO 2,CH 4

La corrosion Des manifestations diverses et variées Première manifestation tangible de la corrosion est d'ordre visuel Transformation de l acier en rouille Oxydation (ternissement) d un contact électrique en cuivre Fragilisation par l hydrogène d un acier à haute résistance mécanique Gonflement d un polyéthylène en contact avec un solvant Attaque d un verre minéral par une solution alcaline La norme ISO 8044 distingue différents types de corrosion liés: - à la manière dont elles se manifestent - au mécanisme mis en œuvre - au milieu corrosif

La corrosion De nombreuses formes Corrosion érosion/abrasion Corrosion cavitation Corrosion bactérienne Matériaux - Acier inoxydable - Acier au carbone - Cuivre, Nickel - Aluminium Corrosion sous contrainte Fatigue corrosion Sollicitations mécaniques «Fragilisation par hydrogène» Fretting corrosion Paramètres hydrodynamiques Micro-organismes Environnement - Milieux aqueux - Milieux atmosphériques - Milieux chimiques - Sols, Gaz, Corrosion Intergranulaire Corrosion sélective Corrosion par piqûres Corrosion caverneuse État de surface - Rugosité - Propreté de surface Corrosion galvanique Corrosion généralisée ou uniforme Corrosion Haute Température La connaissance des formes de corrosion renseigne sur l origine du phénomène, sa gravité et les différents remèdes possibles

Corrosion sous contrainte Fissuration sous contrainte action combinée d un milieu corrosif et de contraintes de traction statiques perte de matière très faible sournois et très dangereux Fissures contraintes rupture

Corrosion sous contrainte Fissuration sous contrainte FISSURES INTERGRANULAIRES FISSURES TRANSGRANULAIRES

Corrosion sous contrainte Fissuration sous contrainte Couples matériau métallique - milieu Les milieux susceptibles de provoquer la CSC sont très variables et dépendent des matériaux utilisés, du niveau de contraintes appliquées, de la température du milieu «corrosif», de l état de surface du matériau etc Métaux et alliages Aciers au carbone Aciers inox Cu et alliages Al et alliages Milieu NaOH, nitrates, mélanges acides H2SO4 et HNO3, Solutions halogénées (chlorurées), vapeur d eau Solutions ammoniacales, eau, vapeur d eau Solutions chlorurées, air, vapeur d eau,

Fatigue - Corrosion FACIES Fatigue rupture sous cycles de contraintes répétées (contraintes < à la limite d élasticité) Fatigue corrosion diminution de la résistance à la fatigue en milieu corrosif CAUSES cycles à basses fréquences amorçage : défaut de surface par exemple (rôle de point d accumulation de contraintes)