Notions principales en science des matériaux
Les principaux mécanismes de défaillance pour le diagnostic en maintenance

L’analyse du retour d’expérience des banques de données sur les défaillances des équipements industriels fait ressortir qu’elles sont dues, dans la majorité des cas, aux choix des matériaux retenus lors de leur conception. Pendant le fonctionnement des équipements, leurs matériaux sont soumis à des sollicitations mécaniques, thermiques, à des environnements agressifs et des phénomènes de vieillissement. Cet article présente les principaux mécanismes de défaillance des matériaux qui conduisent à des ruptures brutales, à des fissurations avant rupture, à des pertes de matière ou à des changements de propriétés induits par le vieillissement. La connaissance de ces mécanismes de dégradation et de défaillance est indispensable lors de la conception pour sélectionner les matériaux qui assureront une fiabilité et une durée de vie optimale des équipements. La connaissance de ces mécanismes est également incontournable en diagnostic pour rechercher les causes des défaillances afin de sélectionner les actions correctives et pour estimer et prédire la durée de vie utile restante (DVUR) et la durée estimée de fonctionnement avant défaillance (DEFAD). La première section présente les enjeux et les concepts de base liés à la recherche de ces modes de défaillance des matériaux pour assurer de façon optimale la fiabilité, la disponibilité et la sûreté des équipements. Elle fournit un rappel succinct de la terminologie utilisée pour caractériser les défaillances conformément aux normes EN NF 13306, CEI 60050 et ISO13381-1. La deuxième section présente les éléments fondamentaux de la science de matériaux, indispensables pour caractériser un matériau en fonction de ses liaisons chimiques et ses structures cristallographiques. Ces propriétés permettent de proposer leur classification et d’établir les relations les plus utilisées en résistance des matériaux entre efforts, contraintes, déformations et déplacements. Les mécanismes de défaillance par rupture sont l’objet de la troisième section en distinguant les modes de fissuration rapide ou progressive. Une attention particulière est portée sur l’observation des faciès observés visuellement ou par microscopie qui permettent aux spécialistes d’identifier la nature du mode de rupture. La quatrième section est consacrée à la description de la corrosion, définie selon la norme ISO 8044 comme « Une interaction physico-chimique entre un métal et son environnement ». Les types de corrosion le plus souvent observés y sont présentés succinctement. La cinquième section est consacrée aux mécanismes d’usure liés aux contacts et aux frottements dans le cadre de la discipline appelée tribologie. Elle fournit un inventaire des principaux modes d’usure (abrasive, adhésive, par meulage et chocs [gouging-grinding]) et par petits débattements [fretting]. Le vieillissement d’un matériau défini par la norme DIN 50035 comme « L’ensemble de tous les processus chimiques et physiques irréversibles se produisant dans un matériau au cours du temps » fait l’objet de la sixième section. Elle décrit en particulier les processus de vieillissement relatifs aux matériaux métalliques, polymères et composites. La septième section propose une typologie des méthodes de diagnostic dont la finalité est d’identifier les mécanismes de défaillance des matériaux à partir de leurs symptômes. Après l’établissement des distinctions entre méthodes inductives et déductives, les principes des approches analytiques ou fondées sur l’intelligence artificielle sont brièvement exposés en différenciant leurs domaines d’applications (conception ou exploitation). Pour démontrer les difficultés rencontrées lors d’un diagnostic et en souligner la complexité, plusieurs exemples industriels sont exposés (batteries au lithium, éoliennes, défaillances structurelles des avions Comet et Airbus A380). Finalement, la conclusion fournit un récapitulatif des compétences nécessaires pour la compréhension des mécanismes de défaillance des matériaux et leur diagnostic. Elle insiste sur le rôle important de l’expertise humaine et sur le fait que les interactions entre les mécanismes de défaillance des matériaux ne sont pas toutes maîtrisées, ce qui implique la mise en œuvre d’une veille technologique active.