III- PRINCIPAUX TYPES DE DEFAILLANCES

Les défaillances du matériel peuvent être de différentes natures: Mécanique (déformation, rupture, usure, corrosion, cavitation); Electrique, électronique (rupture de liaison électrique, usure des contacts, claquage, etc.); Pneumatique, hydraulique.

III-1 Déformation La déformation d’un matériau est la modification de ses dimensions et de sa forme sous l’action des efforts appliqués. Les déformations ne causent pas uniquement des modifications des dimensions et de formes, mais peuvent également entrainer la rupture du matériau si elle atteignent un certain taux. On parle de dégradation par déformation pour les matériaux ductiles.

III1-1 Types de déformations Il existe principalement 2 types de déformations: élastique et plastique Déformation élastique Elle se produit à faible charge et est complètement réversible, c’est-à-dire qu’elle disparait dès qu’on supprime la charge appliquée. En général, les déformations élastiques sont très faibles. Dans le domaine la contrainte б est liée à la déformation ε par la loi de Hooke: б = E.ε où E est le module d’élasticité.

Déformation plastique Quand les charges appliquées à une pièce ou à une structure dépassent un certain seuil, une déformation plastique s’ajoute à la déformation élastique. C’est une déformation permanente, c’est-à-dire ne disparaît pas même si on supprime les charges appliquées. Elle peut causer des dégradations importantes et la mise hors usage de cette pièce ou structure.

  Rupture    

III-1-2 Causes de dégradations par déformation Les dégradations par déformation plastiques peuvent apparaitre dans plusieurs situations: Mauvais dimensionnement de la pièce; Défaut de fabrication; Mauvais choix du matériau; Surcharge de la machine; Fonctionnement à haute température Pour éviter les dégradations par déformation, il faudra évidemment les situations susmentionnées.

III-2 Rupture III-2-1 Types de ruptures Rupture ductile Ce type de rupture est précédé d’une déformation importante. L’examen à l’œil nu montre que la rupture ductile entraine une cassure fibreuse.

Rupture fragile La rupture fragile se produit après très peu de déformation plastique. Elle est particulièrement dangereuse puisqu'elle est brutale et peut se produire même quand le niveau de contrainte global ne dépasse pas la limite d’élasticité du matériau.

III-2-2 Température de transition ductile-fragile La baisse de température rend certain matériaux susceptibles de rupture fragile. Ce phénomène est appelé fragilité à froid et apparait, pour un métal donné, en dessous d’une température Tt. La température de transition ductile-fragile n’est pas influencée par la nature du matériau, mais aussi de facteurs externes comme la présence de concentrateurs de contraintes et la vitesse de sollicitation.

III-2-3 Présence de concentrateurs de contraintes Les soudures, les entrailles, les trous, les rainures ou tout changement brusque de section du matériau provoquent une concentration locale de contraintes pouvant entrainer une rupture fragile. On définit le coefficient de concentration de contraintes KT= бmax/б. Plus KT croît et plus le risque de rupture fragile augmente car la température Tt décalée vers les températures élevées.

III-2-4 Rupture par fatigue Lorsqu’un matériau est soumis à des sollicitations répétées ou variables dans le temps, des fissures peuvent se former et croitre lentement entrainant finalement la rupture de matériau. Le processus causant cette rupture s’appelle fatigue. La fatigue du matériau comportent en général 3 stades: L’amorçage des fissures près des concentrateurs de contraintes(entailles, rayures, soudures, etc.) La propagation lente de ces fissures; La rupture brutale quand les fissures atteignent une taille critique.

Elle se caractérise par 3 zones Une zone d’amorçage qui présente un aspect lisse; Une zone formée par des stries correspondant au front de propagation lente; Une ayant un aspect granulaire relatif à la rupture brutale par fatigue.

III-2-5 Rupture par fluage Jusqu’à présent, nous avons focalisé notre attention sur les dégradations par la rupture à la température ambiante. De nombreuses structures, comme les turbines ou les moteurs à combustion interne, doivent fonctionner à des températures beaucoup plus élevées.

Quand on augmente la température, sous des charges qui, à la température ambiante ne produisant pas de déformation permanente, les matériaux commencent à se déformer. Ce phénomène s’appelle fluage et consiste en une déformation lente et continue dans le temps: la déformation, au lieu de dépendre seulement de la contrainte б (comme c’est le cas à basse température), devient aussi une fonction du temps et de la température. ε = f (б, t, T).

III-3 Prévention contre les ruptures Les dégradations par rupture sont particulièrement dangereuses et peuvent causer des dégâts considérables. Les actions de maintenance doivent donc avoir pour but principal de minimiser le risque de rupture brutale.

III-3-1 Rupture fragile Ce type de rupture apparait sous sollicitation statique et peut avoir diverses causes: baisse de la température d’utilisation, présence de concentrateurs de contraintes ou choc. Pour éviter ce genre de rupture il faut: d’abord s’assurer que la température de fonctionnement est largement au-dessus de la température de transition ductile-fragile du matériau;

pour les installations et les structures travaillant à basse température, il faut utiliser des matériaux insensibles à la fragilisation à basse température comme l’aluminium, le cuivre, l’acier inoxydable austénitique, etc.; minimiser les concentrateurs de contraintes lors de la conception des pièces ou de structures. dans le cadre de la maintenance préventive, un contrôle régulier doit être effectué pour détecter d’éventuelles fissures(contrôle visuel, à la loupe, par ressuage, ultrasons, etc.) Enfin, des chocs sont à éviter pendant l’utilisation ou les opérations de maintenance d’un matériel.

III-3-2 Rupture par fatigue La fatigue es toujours un problème potentiel pour une structure soumise à des charges variables dans le temps. Toutes les sollicitations répétées (vibrations de la structure d’un avion, rotation d’un vilebrequin de moteur, etc.) peuvent, potentiellement, provoquer la rupture par fatigue.

Les structures de grandes dimensions, en particulier les structures soudées comme les ponts, les bateaux, les enceintes sous pression, contiennent toujours des fissures. Tout ce que nous devons contrôler, est que l’une de ces fissures n’atteigne la taille critique à laquelle elle se propage de façon catastrophique. Le contrôle des structures doit être effectué surtout dans les sites éventuels pour l’apparition de fissures, tels que les soudures, les trous, etc. Dès la détection de ces zones d’amorçage, il faudra suivre leur progression. Tant que cette progression est lente, la structure peut être utiliser sans grand risque de rupture.

III-3-3 Rupture par fluage De nombreuses pièces travaillant à chaud et subissant des charges continues (par exemple les aubes de turbine dans les turboréacteurs) se déforment par fluage au cours du temps. Tant que ces déformations ne posent aucun problème pour le fonctionnement, le matériel peut encore être utiliser sans danger dans les limites de sa durée de vie de fluage. Si on s’approche des limites fixées il faudra procéder à un remplacement systématique de la pièce.

Lors de la conception de structures travaillant à chaud, la première contrainte dont nous devons nous préoccuper est le choix d’un matériau qui possède une bonne tenue au fluage. Parmi les critères de choix, la température de fusion occupe une place importante. Si le matériau va être utilisé à moins de 30% de son point de fusion, le fluage ne posera pas de problème. Dans le cas contraire il faudra le remplacer par un autre matériau plus résistant au fluage.