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Auteur(s)
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Dominique FRANÇOIS : Directeur adjoint du Laboratoire de mécanique, sols, structures, matériaux. - École centrale de Paris. Centre national de la recherche scientifique CNRS-URA 850 .
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les phénomènes de rupture sont extrêmement coûteux : lorsqu’ils surviennent, si par bonheur ils n’entraînent pas de pertes de vie humaine, en plus du remplacement des équipements détériorés, il convient de compter les heures et les productions perdues, l’image de marque abîmée, les marchés disparus...
Aussi de nombreux essais ont-ils été imaginés pour évaluer la résistance à la rupture des matériaux et certains d’entre eux sont depuis longtemps couramment pratiqués dans l’industrie. Pour en bien apprécier la portée et les limites, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de rupture qui interviennent. On mesure alors l’intérêt des essais de choc sur éprouvettes entaillées mis au point notamment par Charpy il y a une centaine d’années. Ils permettent, notamment, de déterminer le risque de rupture fragile des aciers, aux températures inférieures à la température de transition fragile-ductile. Simples à mettre en œuvre et peu coûteux, ils sont extrêmement répandus et conservent une très grande utilité. Néanmoins, ils ne fournissent pas d’indication sur les charges que peuvent supporter les pièces contenant des défauts. C’est la mécanique de la rupture et les essais qui en dérivent qui permettent de le faire. Ils ont connu un grand développement depuis une quarantaine d’années, tout particulièrement dans les industries nucléaires, aéronautiques, spatiales et pétrochimiques. Même s’ils sont plus coûteux et nécessitent l’intervention de spécialistes, ils se répandent. D’ailleurs, on assiste à une rapide évolution de la normalisation dans ce domaine.
Dans cet article, nous n’envisageons que les ruptures brutales, celles qui surviennent au cours du chargement ou en fin de durée de vie lorsque les fissures à croissance lente atteignent une valeur critique. Nous excluons donc les essais destinés à apprécier les risques de rupture différée, par fatigue, par corrosion sous contrainte, par fluage. Ils sont abordés dans d’autres articles spécialisés du traité.
Après une description succincte des mécanismes de rupture brutale, nous expliquons les essais de rupture destinés à apprécier la température de transition fragile-ductile, et dans une seconde partie nous exposerons les principes de la mécanique de la rupture et montrerons comment effectuer les essais qui en découlent.
VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 1984 par Dominique FRANÇOIS
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3. Essais selon la mécanique de la rupture
Les essais pour déterminer les températures de transition ne permettent pas le calcul d’une structure : ils trouvent leur utilité pour le choix des aciers et pour le suivi des fabrications. Ils sont par ailleurs d’un intérêt moindre pour tous les matériaux qui ne présentent pas de transition de ductilité : les aciers austénitiques, les alliages de cuivre, les alliages d’aluminium, etc. La mécanique de la rupture, partant de la constatation que les ruptures résultent le plus souvent de la présence de défauts, soit créés au cours de la fabrication, soit apparus par divers mécanismes de rupture différée (par fatigue dans de nombreux cas), établit une relation entre les contraintes appliquées, la dimension d’une fissure et la ténacité du matériau, c’est-à-dire la résistance qu’il oppose à la propagation des fissures. Le bureau d’études détermine les contraintes, le contrôle non destructif la taille des défauts et le laboratoire la ténacité : ce sont les essais pour mesurer cette dernière qui font l’objet du présent paragraphe. Il convient d’insister sur le caractère intrinsèque de la propriété mesurée. Dans toute la mesure du possible, on cherche à s’affranchir totalement de l’influence de paramètres externes comme l’épaisseur de l’éprouvette ou l’acuité d’entaille, pour déterminer une caractéristique propre du matériau. Une des difficultés d’utilisation des courbes de transition est justement leur dépendance par rapport à ces paramètres externes. La mécanique de la rupture résout ces difficultés.
3.1 Notions de mécanique de la rupture en élasticité linéaire
3.1.1 Taux d’énergie disponible G
La première approche étudie l’équilibre thermodynamique d’une structure élastique contenant une fissure de surface A et chargée par des forces F i , vis-à-vis de l’extension de cette fissure. On montre qu’il est réalisé si ce que l’on appelle le taux d’énergie disponible G est égal à une valeur critique G c. G est défini...
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