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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.
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- Version archivée 1 de juil. 1984 par Dominique FRANÇOIS
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Détermination de la température de transition de ductilité1. Mécanismes de rupture
Nous nous limitons aux mécanismes de rupture brutale à température assez basse pour que le fluage n’intervienne pas. Nous excluons donc les mécanismes de rupture différée (fatigue, corrosion sous tension, fluage), très importants en pratique mais développés dans d’autres articles spécialisés de ce traité. Les mécanismes de rupture brutale à froid appartiennent à trois catégories : les ruptures par clivage, les ruptures ductiles et les ruptures intergranulaires.
1.1 Rupture par clivage
Le clivage est un mode de rupture qui se propage le long de plans cristallographiques (les plans de clivage) de bas indices de Miller. Macroscopiquement, la cassure présente donc un aspect brillant, à facettes correspondant à chaque grain du matériau ; c’est un aspect souvent appelé cristallin. À l’échelle microscopique, l’aspect est très lisse, les plans cristallographiques ne présentant que peu d’accidents : ce sont, en général, des marches correspondant au rattrapage, par déchirure, de légères désorientations du plan de clivage par rapport à l’orientation cristallographique idéale. Ces marches, initialement perpendiculaires au front de fissure, se rejoignent lors de la propagation du clivage ; elles ont donc sur la factrographie l’allure de rivière qui coulent dans la direction de propagation. La contrainte qu’il faut exercer localement pour amorcer un clivage est très élevée (de l’ordre du dixième du module d’Young). Le processus se déclenche par des déformations plastiques hétérogènes qui créent de très importantes concentrations de contraintes, à l’echelle microscopique, par poinçonnage interne : ces déformations peuvent être des bandes de glissement étroites ou des macles. L’apparition du clivage a lieu quand la contrainte est suffisante dans l’élément de volume. σ a atteint une contrainte critique σ f ; cette contrainte de clivage est peu fonction de la température. Elle diminue quand la vitesse de sollicitation augmente. Cette contrainte dépend essentiellement de la taille d du grain et elle varie comme d –1/ 2. Il est important de comprendre que, de toute façon, le clivage, d’après le mécanisme décrit, ne peut survenir que si la limite d’élasticité a été atteinte.
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