Nick Connor

En science des matériaux, défaillance matérielle est la perte de capacité de charge d’une unité matérielle. La conception d’un composant ou d’une structure demande souvent à l’ingénieur de minimiser les risques de défaillance. Qu’on le veuille ou non, divers composants en service subissent des défaillances (casse ou changement de forme) et ne peuvent remplir leur fonction assignée. Les causes habituelles de défaillance sont une sélection et un traitement inappropriés des matériaux et une conception inadéquate du composant ou sa mauvaise utilisation. Le composant défectueux nécessite, dans le meilleur des cas, un remplacement et, si nous ne voulons pas une répétition de la défaillance, nous devons comprendre ce Il est donc important de comprendre la mécanique des différents modes de défaillance mécanique : rupture, fatigue et fluage. De plus, se familiariser avec les principes de conception appropriés qui peuvent être utilisés pour prévenir les défaillances en service.

L’analyse des défaillances (FA) est un domaine scientifique multidisciplinaire, reliant des domaines de l’ingénierie issus de divers horizons et corpus de connaissances. De la mécanique appliquée à l’électrochimie et à la corrosion et de la modélisation numérique, à la compréhension de la science des surfaces et de la tribologie. La complexité de la nature du sujet nécessite l’adoption de diverses disciplines d’ingénierie, pour réussir des performances de processus élevées et une analyse efficace des causes profondes, qui est le cœur et l’objectif central du processus d’investigation des défaillances. La section suivante porte sur la rupture simple (modes ductile et fragile), les principes fondamentaux de la mécanique de la rupture, les essais de ténacité à la rupture, la transition ductile-fragile, les chocs thermiques sous pression, la fatigue et le fluage.

• Rupture de matériel. Une fracture est la séparation d’un objet ou d’un matériau en deux ou plusieurs morceaux sous l’action d’une contrainte. Les ingénieurs doivent comprendre les mécanismes de rupture. Il existe (par exemple rupture fragile), qui se produisent dans des conditions spécifiques  sans avertissement et peuvent causer des dommages importants  aux matériaux. La fracture fragile survient soudainement et de manière catastrophique sans aucun avertissement. Ceci est une conséquence de la propagation spontanée et rapide des fissures. Cependant, pour la rupture ductile, la présence d’une déformation plastique signale l’imminence d’une rupture, permettant de prendre des mesures préventives. Une compréhension détaillée de la manière dont la rupture se produit dans les matériaux peut être facilitée par l’étude de la mécanique de la rupture.
• Fatigue du matériel. En science des matériaux, la fatigue est l’affaiblissement d’un matériau causé par un chargement cyclique qui entraîne des dommages structurels progressifs, cassants et localisés. Une fois qu’une fissure s’est amorcée, chaque cycle de chargement augmentera légèrement la fissure, même lorsque des contraintes alternées ou cycliques répétées sont d’une intensité considérablement inférieure à la résistance normale. Les contraintes peuvent être dues à des vibrations ou à des cycles thermiques. Les dommages de fatigue sont causés par:
  • action simultanée de contraintes cycliques,
  • contrainte de traction (qu’elle soit appliquée directement ou résiduelle),
  • souche plastique.

  Si l’un de ces trois éléments n’est pas présent, une fissure de fatigue ne s’amorcera pas et ne se propagera pas. La majorité des défaillances techniques sont causées par la fatigue.
• Porter. En général, l’usure est un dommage de surface induit mécaniquement qui se traduit par l’élimination progressive de matière due au mouvement relatif entre cette surface et une substance ou des substances en contact. Une substance de contact peut consister en une autre surface, un fluide, ou des particules abrasives dures contenues dans une certaine forme de fluide ou de suspension, comme un lubrifiant par exemple. Dans la plupart des applications technologiques, l’apparition d’usure est hautement indésirable et c’est un problème extrêmement coûteux puisqu’il conduit à la détérioration ou même à la défaillance des composants. En termes de sécurité, ce n’est souvent pas aussi grave (ou aussi soudain) qu’une fracture. C’est parce que l’usure est généralement anticipée.
• Corrosion. La corrosion est généralement un phénomène négatif, car elle est associée à une défaillance mécanique d’un objet. Les atomes métalliques sont retirés d’un élément structurel jusqu’à ce qu’il tombe en panne, ou des oxydes s’accumulent à l’intérieur d’un tuyau jusqu’à ce qu’il soit bouché. Tous les métaux et alliages sont sujets à la corrosion. Même les métaux nobles, tels que l’or, sont soumis à une attaque corrosive dans certains environnements.
• Creep. Le fluage, également connu sous le nom d’écoulement à froid, est la déformation permanente qui augmente avec le temps sous une charge ou une  contrainte constante. Il résulte d’une exposition prolongée à des contraintes mécaniques externes importantes avec une limite d’élasticité et est plus sévère dans les matériaux soumis à la chaleur pendant une longue période. Le fluage est un phénomène très important si nous utilisons des matériaux à haute température. Le fluage est très important dans l’industrie de l’énergie et il est de la plus haute importance dans la conception des moteurs à réaction. Pour de nombreuses situations de fluage à durée de vie relativement courte (par exemple, les aubes de turbine dans les avions militaires), le temps de rupture est la considération de conception dominante.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Métaux

Fatigue thermique

La fatigue thermique est un type spécifique de mécanisme de rupture par fatigue induit par des contraintes cycliques (dilatation et contraction thermiques) dues à des fluctuations répétitives de la température (chauffage et refroidissement) de l’équipement. Ce type de fatigue est très important notamment dans l’ingénierie énergétique, l’aéronautique et l’ingénierie automobile.

Contraintes thermiques apparaissent dans les matériaux lorsqu’ils sont chauffés ou refroidis. Les contraintes thermiques affectent le fonctionnement des installations, à la fois en raison des composants importants soumis à des contraintes et parce qu’elles sont affectées par le mode d’exploitation de l’installation. Lors du refroidissement, des contraintes de traction résiduelles sont produites si le métal est empêché de se déplacer (se contracter) librement. Les fissures de fatigue peuvent s’amorcer et se développer au fur et à mesure que le cycle se poursuit. Les concentrations de contraintes peuvent être réduites grâce à des modifications de conception appropriées qui tiennent compte de la dilatation et de la contraction thermiques. Par exemple, les boucles de dilatation et les soufflets dans les systèmes de tuyauterie et de tubes à température élevée tirent parti de ce principe. Dans les centrales nucléaires, les limites des taux de chauffage et de refroidissement sont basées sur l’impact sur la durée de vie future de la centrale en fatigue. Les limites d’échauffement et de refroidissement garantissent que l’installation s la durée de vie en fatigue est égale ou supérieure à la durée de vie opérationnelle de la centrale. De plus, les modifications de conception de l’usine incluent par exemple le chauffage des réservoirs d’eau ou des puisards du système de refroidissement d’urgence du cœur (ECCS) afin de réduire la différence de température entre l’eau injectée et le matériau de la RPV.

Dans les centrales nucléaires, les exigences fondamentales lors de la conception et de la fabrication pour éviter la rupture par fatigue sont différentes selon les cas.

• Pressuriseur. La pression dans le circuit primaire des REP est maintenue par un pressuriseur, une cuve séparée qui est reliée au circuit primaire (branche chaude) et partiellement remplie d’eau qui est chauffée à la température de saturation (point d’ébullition) pour la pression souhaitée par des circuits électriques immergés. radiateurs. Pour un pressuriseur, les variations de charge sont assez faibles, mais la fréquence de cycle est élevée. Par conséquent, un acier de haute résistance à la fatigue et de haute résistance ultime à la traction est souhaitable.
• Cuve sous pression du réacteur. Le corps de la cuve du réacteur est construit en acier au carbone faiblement allié de haute qualité et toutes les surfaces qui entrent en contact avec le liquide de refroidissement du réacteur sont revêtues d’un minimum d’environ 3 à 10 mm d’ acier inoxydable austénitique afin de minimiser la corrosion. La cuve et les tuyauteries du réacteur sont en revanche soumises à de fortes variations de charge, mais la fréquence des cycles est faible ; par conséquent, une ductilité élevée est la principale exigence pour l’acier. Les manchons thermiques sont utilisés dans certains cas, tels que les buses de pulvérisation et les lignes de surtension, pour minimiser les contraintes thermiques. Les limites de taux d’échauffement et de refroidissement sont basées sur l’impact sur la durée de vie future de la centrale en fatigue. Les limites d’échauffement et de refroidissement garantissent que la durée de vie en fatigue de la centrale est égale ou supérieure à la durée de vie opérationnelle de la centrale. De plus, les modifications de conception de l’usine incluent par exemple le chauffage des réservoirs d’eau ou des puisards du système de refroidissement d’urgence du cœur (ECCS) afin de réduire la différence de température entre l’eau injectée et le matériau de la RPV.
• Tuyauterie primaire. La plupart des défaillances de fatigue mécanique dans les tuyauteries sont le résultat de vibrations qui ne sont pas rares. Pratiquement tous les systèmes de tuyauterie contenant un fluide en circulation présentent un certain degré de vibration. La cause de la vibration peut différer. Les pulsations de pression et les mouvements des équipements rotatifs attachés sont parmi les causes les plus courantes de vibrations dans les systèmes de tuyauterie.
• Générateurs de vapeur. Les générateurs de vapeur sont des échangeurs de chaleur utilisés pour convertir l’ eau d’ alimentation en vapeur à partir de la chaleur produite dans le cœur d’un réacteur nucléaire. Chaque générateur de vapeur peut contenir entre 3 000 et 16 000 tubes, chacun d’environ 19 mm de diamètre. En cas de panne de l’alimentation en eau d’alimentation du générateur de vapeur pour une raison quelconque, des mesures d’urgence doivent être prises rapidement et cela se fait par un système d’introduction d’eau froide dans le boîtier du générateur de vapeur pour empêcher le faisceau tubulaire et la plaque tubulaire de surchauffer dangereusement. Pour éviter un choc thermique important, en particulier sur la plaque tubulaire En cas de panne de l’alimentation en eau du générateur de vapeur pour une raison quelconque, le système d’alimentation en eau de secours déclenche son action et introduit de l’eau froide dans le générateur de vapeur pour empêcher le faisceau tubulaire et la plaque tubulaire de surchauffer dangereusement . Ceci provoque des contraintes importantes notamment sur la plaque tubulaire.

Bien que la cause principale du phénomène de rupture par fatigue ne soit pas bien connue, elle résulterait de la formation initiale d’une petite fissure résultant d’un défaut ou d’un glissement microscopique des grains métalliques. La fissure se propage lentement d’abord puis plus rapidement lorsque la contrainte locale augmente du fait d’une diminution de la section portante. Le métal se fracture alors. Rupture par fatigue peut être initié par des fissures et des entailles microscopiques, et même par des marques de meulage et d’usinage sur la surface; par conséquent, de tels défauts doivent être évités dans les matériaux soumis à des contraintes (ou déformations) cycliques. Les opérations de la centrale sont effectuées de manière contrôlée pour atténuer les effets du stress cyclique. Les limitations de chauffage et de refroidissement, les limitations de pression et les courbes de fonctionnement de la pompe sont toutes utilisées pour minimiser les contraintes cycliques.

Référence spéciale: US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Fatigue

L’analyse des défaillances (FA) est un domaine scientifique multidisciplinaire, reliant des domaines de l’ingénierie d’horizons et de corps de connaissances divers. De la mécanique appliquée à l’électrochimie et à la corrosion et de la modélisation numérique, à la compréhension de la science des surfaces et de la tribologie. La complexité de la nature du sujet nécessite l’adoption de diverses disciplines d’ingénierie, pour réussir des performances de processus élevées et une analyse efficace des causes profondes, qui est le cœur et l’objectif central du processus d’investigation des défaillances. La section suivante porte sur la rupture simple (modes ductile et fragile), les principes fondamentaux de la mécanique de la rupture, les essais de ténacité à la rupture, la transition ductile-fragile, les chocs thermiques sous pression, la fatigue et le fluage.

• Rupture de matériel. Une fracture est la séparation d’un objet ou d’un matériau en deux ou plusieurs morceaux sous l’action d’une contrainte. Les ingénieurs doivent comprendre les mécanismes de rupture. Il existe  (par exemple rupture fragile), qui se produisent dans des conditions spécifiques sans avertissement et peuvent causer des dommages importants  aux matériaux. La fracture fragile survient soudainement et de manière catastrophique sans aucun avertissement. Ceci est une conséquence de la  propagation spontanée et rapide des fissures. Cependant, pour la rupture ductile, la présence d’une déformation plastique signale l’imminence d’une rupture, permettant de prendre des mesures préventives. Une compréhension détaillée de la manière dont la rupture se produit dans les matériaux peut être facilitée par l’étude de la mécanique de la rupture.
• Fatigue du matériel. En science des matériaux, la fatigue est l’affaiblissement d’un matériau causé par un chargement cyclique qui entraîne des dommages structurels progressifs, cassants et localisés. Une fois qu’une fissure s’est amorcée, chaque cycle de chargement augmentera légèrement la fissure, même lorsque des contraintes alternées ou cycliques répétées sont d’une intensité considérablement inférieure à la résistance normale. Les contraintes peuvent être dues à des vibrations ou à des cycles thermiques. Les dommages de fatigue sont causés par:
  • action simultanée de contraintes cycliques,
  • contrainte de traction (qu’elle soit appliquée directement ou résiduelle),
  • souche plastique.

  Si l’un de ces trois éléments n’est pas présent, une fissure de fatigue ne s’amorcera pas et ne se propagera pas. La majorité des défaillances techniques sont causées par la fatigue.

• Porter. En général, l’usure est un dommage de surface induit mécaniquement qui se traduit par l’élimination progressive de matière due au mouvement relatif entre cette surface et une substance ou des substances en contact. Une substance de contact peut consister en une autre surface, un fluide, ou des particules abrasives dures contenues dans une certaine forme de fluide ou de suspension, comme un lubrifiant par exemple. Dans la plupart des applications technologiques, l’apparition d’usure est hautement indésirable et c’est un problème extrêmement coûteux puisqu’il conduit à la détérioration ou même à la défaillance des composants. En termes de sécurité, ce n’est souvent pas aussi grave (ou aussi soudain) qu’une fracture. C’est parce que l’usure est généralement anticipée.
• Corrosion. La corrosion est généralement un phénomène négatif, car elle est associée à une défaillance mécanique d’un objet. Les atomes métalliques sont retirés d’un élément structurel jusqu’à ce qu’il tombe en panne, ou des oxydes s’accumulent à l’intérieur d’un tuyau jusqu’à ce qu’il soit bouché. Tous les métaux et alliages sont sujets à la corrosion. Même les métaux nobles, tels que l’or, sont soumis à une attaque corrosive dans certains environnements.
• Creep. Le fluage, également connu sous le nom d’écoulement à froid, est la déformation permanente qui augmente avec le temps sous une charge ou une contrainte constante. Il résulte d’une exposition prolongée à des contraintes mécaniques externes importantes avec une limite d’élasticité et est plus sévère dans les matériaux soumis à la chaleur pendant une longue période. Le fluage est un phénomène très important si nous utilisons des matériaux à haute température. Le fluage est très important dans l’industrie de l’énergie et il est de la plus haute importance dans la conception des moteurs à réaction. Pour de nombreuses situations de fluage à durée de vie relativement courte (par exemple, les aubes de turbine dans les avions militaires), le temps de rupture est la considération de conception dominante.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Modes de défaillance [/lgc_column ]

En science des matériaux, la fatigue est l’affaiblissement d’un matériau causé par un chargement cyclique qui entraîne des dommages structurels progressifs, cassants et localisés. Une fois qu’une fissure s’est amorcée, chaque cycle de chargement augmentera légèrement la fissure, même lorsque des contraintes alternées ou cycliques répétées sont d’une intensité considérablement inférieure à la résistance normale. Les contraintes peuvent être dues à des vibrations ou à des cycles thermiques. Les dommages de fatigue sont causés par:

• action simultanée de contraintes cycliques,
• contrainte de traction (qu’elle soit appliquée directement ou résiduelle),
• souche plastique.

Si l’un de ces trois éléments n’est pas présent, une fissure de fatigue ne s’amorcera pas et ne se propagera pas. La majorité des défaillances techniques sont causées par la fatigue.

Bien que la fracture soit de type fragile, sa propagation peut prendre un certain temps, en fonction à la fois de l’intensité et de la fréquence des cycles de stress. Néanmoins, il y a très peu, voire aucun, avertissement avant la panne si la fissure n’est pas remarquée. Le nombre de cycles nécessaires pour provoquer une rupture par fatigue à une contrainte maximale particulière est généralement assez important, mais il diminue à mesure que la contrainte augmente. Pour certains aciers doux, les contraintes cycliques peuvent être poursuivies indéfiniment à condition que la contrainte maximale (parfois appelée résistance à la fatigue) soit inférieure à la valeur limite d’endurance. Un bon exemple de rupture par fatigue est la rupture d’une fine tige ou d’un fil d’acier avec les mains après l’avoir plié plusieurs fois au même endroit. Un autre exemple est une roue de pompe déséquilibrée entraînant des vibrations qui peuvent provoquer une défaillance par fatigue. Le type de fatigue le plus préoccupant dans les centrales nucléaires est la fatigue thermique. La fatigue thermique peut provenir de contraintes thermiques produites par des changements cycliques de température. Les gros composants tels que le pressuriseur, la cuve du réacteur et la tuyauterie du système du réacteur sont soumis à des contraintes cycliques causées par les variations de température pendant le démarrage du réacteur, les changements de niveau de puissance et l’arrêt.

Durée de vie en fatigue – Courbe SN

L’American Society for Testing and Materials définit la durée de vie en fatigue, N_f, comme le nombre de cycles de contrainte d’un caractère spécifié qu’un spécimen subit avant qu’une défaillance d’une nature spécifiée ne se produise. La durée de vie en fatigue est affectée par les contraintes cycliques, les contraintes résiduelles, les propriétés des matériaux, les défauts internes, la taille des grains, la température, la géométrie de conception, la qualité de surface, l’oxydation, la corrosion, etc. Pour certains matériaux, notamment l’acier et le titane, il existe une valeur théorique de contrainte amplitude en dessous de laquelle le matériau ne se rompra pas pendant un certain nombre de cycles, appelée limite de fatigue, limite d’ endurance ou résistance à la fatigue.

Les ingénieurs utilisent un certain nombre de méthodes pour déterminer la durée de vie en fatigue d’un matériau. L’une des plus utiles est la méthode contrainte-vie, généralement caractérisée par une courbe SN, également appelée courbe de Wöhler. Cette méthode est illustrée sur la figure. Il trace la contrainte appliquée (S) par rapport à la durée de vie du composant ou au nombre de cycles jusqu’à la défaillance (N). Au fur et à mesure que la contrainte diminue à partir d’une valeur élevée, la durée de vie des composants augmente lentement au début, puis assez rapidement. Parce que la fatigue comme la rupture fragile a une telle nature variable, les données utilisées pour tracer la courbe seront traitées statistiquement. La dispersion des résultats est une conséquence de la sensibilité à la fatigue d’un certain nombre de paramètres d’essai et de matériaux impossibles à contrôler avec précision.

Les termes suivants sont définis pour la courbe SN:

• Limite de fatigue. La limite de fatigue (également parfois appelée limite d’endurance) est le niveau de contrainte en dessous duquel la rupture par fatigue ne se produit pas. Cette limite n’existe que pour certains alliages ferreux (à base de fer) et de titane, pour lesquels la courbe S – N devient horizontale à des valeurs N plus élevées. D’autres métaux de structure, tels que l’aluminium et le cuivre, n’ont pas de limite distincte et finiront par échouer même à partir de petites amplitudes de contrainte. Les valeurs typiques de la limite pour les aciers sont la moitié de la résistance ultime à la traction, jusqu’à un maximum de 290 MPa (42 ksi).
• Résistance à la fatigue. L’ASTM définit la résistance à la fatigue, S _Nf , comme la valeur de la contrainte à laquelle la rupture se produit après un certain nombre de cycles spécifiés (par exemple, 10⁷ cycles). Par exemple, la résistance à la fatigue de l’alliage de titane Ti-6Al-4V recuit est d’environ 240 MPa. à 10⁷ cycles et le facteur de concentration de contrainte = 3,3.
• La vie en fatigue. La durée de vie caractérise le comportement à la fatigue d’un matériau. C’est le nombre de cycles pour provoquer une défaillance à un niveau de contrainte spécifié, tel qu’il est tiré du diagramme S – N

Le processus de rupture par fatigue se caractérise par trois étapes distinctes:

• Amorçage de fissure, dans lequel une petite fissure se forme à un certain point de forte concentration de contraintes.
• Propagation de la fissure, au cours de laquelle cette fissure progresse progressivement à chaque cycle de contrainte. La majeure partie de la durée de vie en fatigue est généralement consommée dans la phase de croissance des fissures.
• La rupture ultime, qui se produit très rapidement une fois que la fissure en progression a atteint une taille critique.

Les fissures associées à la rupture par fatigue commencent presque toujours (ou nucléent) à la surface d’un composant à un certain point de concentration de contraintes. Tout ce qui entraîne une concentration de contraintes et le développement de fissures réduira la durée de vie en fatigue. Par conséquent, l’augmentation du degré de finition de surface, le polissage par rapport au meulage, améliore la résistance à la fatigue. L’augmentation de la résistance et de la dureté des couches de surface des composants métalliques améliorera également la résistance à la fatigue.

Fatigue polycyclique vs fatigue polycyclique

La fatigue a été séparée en régions de fatigue polycyclique et de fatigue polycyclique. La principale différence entre la fatigue polycyclique et la fatigue polycyclique est le nombre de cycles jusqu’à la rupture. La transition entre LCF et HCF est déterminée par le niveau de contrainte, c’est-à-dire la transition entre les déformations plastiques et élastiques.

• La fatigue polycyclique nécessite plus de 10⁴ cycles jusqu’à la rupture lorsque la contrainte est faible et principalement élastique.
• La fatigue oligocyclique est caractérisée par une déformation plastique répétée (c’est-à-dire à chaque cycle) et par conséquent, le nombre de cycles jusqu’à la rupture est faible. Dans la région plastique, de grands changements de déformation peuvent être produits par de petits changements de contrainte. Des expériences ont montré que la fatigue oligocyclique est également une croissance de fissures.

Les ruptures de fatigue, à la fois pour le cycle haut et le cycle bas, suivent toutes les mêmes étapes de base du processus d’initiation de fissure, de croissance de fissure de stade I, de croissance de fissure de stade II et enfin de rupture ultime.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Fatigue

En science des matériaux, la fatigue est l’affaiblissement d’un matériau causé par un chargement cyclique qui entraîne des dommages structurels progressifs, cassants et localisés. Une fois qu’une fissure s’est amorcée, chaque cycle de chargement augmentera légèrement la fissure, même lorsque des contraintes alternées ou cycliques répétées sont d’une intensité considérablement inférieure à la résistance normale. Les contraintes peuvent être dues à des vibrations ou à des cycles thermiques. Les dommages de fatigue sont causés par:

• action simultanée de contraintes cycliques,
• contrainte de traction (qu’elle soit appliquée directement ou résiduelle),
• souche plastique.

Si l’un de ces trois éléments n’est pas présent, une fissure de fatigue ne s’amorcera pas et ne se propagera pas. La majorité des défaillances techniques sont causées par la fatigue.

Fatigue polycyclique vs fatigue polycyclique

La fatigue a été séparée en régions de fatigue polycyclique et de fatigue polycyclique. La principale différence entre la fatigue polycyclique et la fatigue polycyclique est le nombre de cycles jusqu’à la rupture. La transition entre LCF et HCF est déterminée par le niveau de contrainte, c’est-à-dire la transition entre les déformations plastiques et élastiques.

• La fatigue polycyclique nécessite plus de 10 ⁴ cycles jusqu’à la rupture lorsque la contrainte est faible et principalement élastique.
• La fatigue oligocyclique est caractérisée par une déformation plastique répétée (c’est-à-dire à chaque cycle) et par conséquent, le nombre de cycles jusqu’à la rupture est faible. Dans la région plastique, de grands changements de déformation peuvent être produits par de petits changements de contrainte. Des expériences ont montré que la fatigue oligocyclique est également une croissance de fissures.

Les ruptures de fatigue, à la fois pour le cycle haut et le cycle bas, suivent toutes les mêmes étapes de base du processus d’initiation de fissure, de croissance de fissure de stade I, de croissance de fissure de stade II et enfin de rupture ultime.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus :
Fatigue

En général, portez est un dommage de surface induit mécaniquement qui entraîne l’élimination progressive de matière en raison du mouvement relatif entre cette surface et une substance ou des substances en contact. Une substance de contact peut consister en une autre surface, un fluide, ou des particules abrasives dures contenues dans une certaine forme de fluide ou de suspension, comme un lubrifiant par exemple. Comme pour le frottement, la présence d’usure peut être bonne ou mauvaise. Une usure productive et contrôlée peut être trouvée dans des processus tels que l’usinage, la coupe, le meulage et le polissage. Cependant, dans la plupart des applications technologiques, l’apparition d’usure est hautement indésirable et c’est un problème extrêmement coûteux puisqu’il conduit à la détérioration ou même à la défaillance des composants. En termes de sécurité, ce n’est souvent pas aussi grave (ou aussi soudain) qu’une fracture. C’est parce que l’usure est généralement anticipée.

Certaines caractéristiques du matériau telles que la dureté, le type de carbure et le pourcentage en volume peuvent avoir un impact décisif sur la résistance à l’usure d’un matériau dans une application donnée. L’usure, comme la corrosion, a plusieurs types et sous-types, est prévisible dans une certaine mesure et est plutôt difficile à tester et à évaluer de manière fiable en laboratoire ou en service.

Tribologie

La tribologie est la science interdisciplinaire des surfaces en interaction en mouvement relatif. La tribologie comprend l’étude et l’application des principes de frottement, de lubrification et d’usure sous charge appliquée. Le fonctionnement efficace et les performances robustes de ces composants de machine dépendent fortement de la tribologie. Le contrôle des frottements permet de réduire les pertes d’énergie et d’améliorer l’efficacité et la durée de vie des machines. L’usure du matériau d’une surface peut entraîner de graves dommages et une défaillance du composant et/ou de la machine. L’approche la plus courante pour réduire le frottement et minimiser l’usure et les défaillances catastrophiques des composants de la machine ou de la machine elle-même consiste à sélectionner correctement les matériaux et les lubrifiants. Dans la plupart des composants de la machine, des lubrifiants sont utilisés pour réduire la friction et prévenir l’usure.

Dureté de surface et résistance à l’usure

La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté. Si la dureté du matériau est supérieure à celle du matériau abrasif, le taux d’usure sera moindre.

La cémentation ou la trempe superficielle est le processus dans lequel la dureté de la surface (boîte) d’un objet est améliorée, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. Après ce processus, la dureté de surface, la résistance à l’usure et la durée de vie à la fatigue sont améliorées. Ceci est accompli par plusieurs processus tels qu’un processus de carburation ou de nitruration par lequel un composant est exposé à une atmosphère carbonée ou azotée à température élevée. Comme cela a été écrit, deux caractéristiques matérielles principales sont influencées :

• La dureté et la résistance à l’usure sont considérablement améliorées. En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.
• La ténacité n’est pas influencée négativement. La ténacité est la capacité d’un matériau à absorber de l’énergie et à se déformer plastiquement sans se fracturer. Une définition de la ténacité (pour taux de déformation élevé, ténacité à la rupture ) est qu’il s’agit d’une propriété qui indique la résistance d’un matériau à la rupture lorsqu’une fissure (ou un autre défaut de concentration de contrainte) est présente.

Pour le fer ou l’acier à faible teneur en carbone, qui a une trempabilité faible ou nulle, le processus de cémentation consiste à infuser du carbone ou de l’azote supplémentaire dans la couche de surface. La cémentation est utile dans des pièces telles qu’une came ou une couronne dentée qui doivent avoir une surface très dure pour résister à l’usure, ainsi qu’un intérieur résistant pour résister à l’impact qui se produit pendant le fonctionnement. De plus, la trempe superficielle de l’acier présente un avantage par rapport à la trempe en profondeur (c’est-à-dire le durcissement du métal uniformément sur toute la pièce) car les aciers à faible et moyenne teneur en carbone moins chers peuvent être durcis en surface sans les problèmes de distorsion et de fissuration associés à la par durcissement de sections épaisses. Une couche de surface externe riche en carbone ou en azote (ou cas) est introduit par diffusion atomique à partir de la phase gazeuse. Le boîtier est normalement de l’ordre de 1 mm de profondeur et est plus dur que le noyau interne du matériau.

Coefficient d’usure

L’usure peut être quantifiée (corrélée) au moyen du taux d’usure, défini comme la masse ou le volume de matériau retiré par unité de distance de glissement. Il est généralement exprimé en termes de coefficient d’usure sans dimension (K) ou de taux d’usure spécifique (volume d’usure par unité de charge normale appliquée par unité de distance de glissement) en (mm³*Nm^-1).

L’équation d’usure la plus couramment utilisée pour la condition de roulement-glissement à sec est l’équation d’usure d’Archards. Le volume d’usure (V), pour une distance de glissement unitaire (S) est égal au coefficient d’usure adimensionnel (K) multiplié par la charge appliquée (Fn) divisé par la dureté du matériau usé.

Types d’usure

L’usure est généralement classée selon ce que l’on appelle les types d’usure, qui se produisent isolément ou en interaction complexe. Les mécanismes et/ou sous-mécanismes d’usure se chevauchent fréquemment et se produisent de manière synergique, produisant un taux d’usure supérieur à la somme des mécanismes d’usure individuels. Les types d’usure les plus courants sont:

• L’usure abrasive
• Usure adhésive
• Fatigue superficielle
• Usure de frottement
• Usure érosive
• Usure par corrosion et oxydation

D’autres types d’usure moins courants sont:

• Usure par impact
• Usure par cavitation
• Usure diffuse

L’usure abrasive

L’usure par abrasion est définie comme la perte de matière due aux particules dures ou aux protubérances dures qui sont forcées contre et se déplacent le long d’une surface solide. Cela se produit lorsqu’une surface dure et rugueuse glisse sur une surface plus molle. Ce mécanisme est parfois appelé usure par meulage. Le matériau plus dur peut être l’une des surfaces de frottement ou des particules dures qui ont trouvé leur chemin entre les surfaces de contact. Il peut s’agir de particules « étrangères » ou de particules résultant de l’usure de l’adhésif ou du délaminage. L’abrasion implique principalement des processus de coupe et de labour à petite échelle. La façon dont une aspérité glisse sur une surface détermine la nature et l’intensité de l’usure par abrasion. Il existe deux modes de base d’usure par abrasion:

• Usure abrasive à deux corps. L’usure à deux corps se produit lorsque les grains ou les particules dures enlèvent de la matière de la surface opposée. L’analogie courante est celle du matériau enlevé ou déplacé par une opération de coupe ou de labour.
• Usure abrasive à trois corps. L’usure à trois corps se produit lorsque les particules ne sont pas contraintes et sont libres de rouler et de glisser sur une surface. L’environnement de contact détermine si l’usure est classée comme ouverte ou fermée. Un environnement de contact ouvert se produit lorsque les surfaces sont suffisamment déplacées pour être indépendantes les unes des autres.

Il existe un certain nombre de stratégies différentes pour atténuer l’usure par abrasion, mais la règle générale pour la sélection des matériaux est la suivante : plus c’est dur, mieux c’est. Matériaux qui contiennent un pourcentage relativement élevé de carbures d’alliages durs et résistants à l’usure, tels que certains aciers à outils et aciers rapides.

Usure adhésive

L’usure adhésive provient de la liaison d’aspérités ou de points hauts microscopiques (rugosité de surface) entre deux matériaux de glissement. Lorsqu’un pic d’une surface entre en contact avec un pic de l’autre surface, une microsoudure instantanée peut avoir lieu en raison de la chaleur générée par le frottement résultant. Il en résulte un détachement ou un transfert de matière d’une surface à l’autre. Pour qu’une usure adhésive se produise, il est nécessaire que les surfaces soient en contact intime les unes avec les autres. Cela peut entraîner un déplacement et une fixation indésirables des débris d’usure et des composés de matériaux d’une surface à l’autre. Usure adhésive peut entraîner une augmentation de la rugosité et la création de protubérances (c’est-à-dire de grumeaux) au-dessus de la surface d’origine. Les surfaces séparées par des films lubrifiants, des films d’oxyde, etc. réduisent la tendance à l’adhérence. Dans certaines applications d’ingénierie, les surfaces glissent dans l’air ou sans lubrifiant et l’usure qui en résulte est appelée glissement à sec.

L’usure adhésive dépend des matériaux impliqués, du degré de lubrification fourni et de l’environnement. Une lubrification adéquate permet un fonctionnement régulier et continu des éléments de la machine, réduit le taux d’usure et évite les contraintes excessives ou les grippages au niveau des roulements. Lorsque la lubrification tombe en panne, les composants peuvent frotter de manière destructrice les uns contre les autres, provoquant de la chaleur, des soudures locales, des dommages destructeurs et des pannes. Par exemple, les aciers inoxydables austénitiques (par exemple AISI 304) glissant contre eux-mêmes sont très susceptibles de transférer de la matière et du galle, entraînant de graves dommages de surface. D’autres matériaux sujets à l’usure adhésive comprennent le titane, le nickel et le zirconium. D’autre part, le bronze d’aluminium a trouvé une reconnaissance croissante pour une grande variété d’applications nécessitant une résistance à l’usure mécanique. Sa résistance à l’usure est basée sur le transfert du métal plus tendre (bronze d’aluminium) au métal plus dur (acier) et la formation d’une fine couche de métal plus tendre sur le métal plus dur.

Par exemple, la fonction principale de l’huile moteur est de réduire la friction et l’usure des pièces mobiles (pour réduire l’usure de l’adhésif) et de nettoyer le moteur des boues, tandis qu’un filtre est conçu pour éliminer les contaminants et les particules abrasives de l’huile moteur.

Usure par érosion

L’usure par érosion est un processus d’élimination progressive de matière d’une surface cible en raison d’impacts répétés de particules solides. Les particules en suspension dans le flux de mélange liquide solide érodent les passes mouillées limitant la durée de vie des équipements utilisés pour le système de transport de lisier. Chaque particule coupe ou fracture une infime quantité de matériau (appelée copeaux d’usure ) de la surface. Si cela se répète sur une longue période de temps, une quantité importante de perte matérielle peut en résulter.

L’usure par érosion est courante dans les pompes et les turbines, les ventilateurs, les conduites de vapeur et les buses, à l’intérieur des coudes prononcés des tubes et des tuyaux. Par conséquent, il s’agit d’un mécanisme largement rencontré dans l’industrie et l’ingénierie énergétique. En raison de la nature du processus de convoyage, les systèmes de tuyauterie sont sujets à l’usure lorsque des particules abrasives doivent être transportées.

L’usure par érosion est causée par l’énergie cinétique transférée à la surface cible par l’impact de particules solides. Le taux d’usure érosive dépend d’un certain nombre de facteurs. Les caractéristiques matérielles des particules, telles que leur forme, leur dureté, leur vitesse d’impact et leur angle d’impact sont des facteurs primaires, ainsi que les propriétés de la surface érodée. La perte de matériau du matériau cible est plus élevée pour une énergie cinétique plus élevée de la particule incidente. Ainsi, la vitesse d’impact affecte largement l’usure par érosion du matériau cible. L’angle d’impact est l’un des facteurs les plus importants et est largement reconnu dans la littérature. Les courbes ou virages serrés ont tendance à produire plus d’érosion que les courbes douces.

L’usure par érosion peut être classée en trois catégories:

• Érosion des particules solides. L’érosion des particules solides est la perte de volume de matériau du matériau cible en raison de l’impact continu des particules solides présentes dans le fluide en écoulement.
• Érosion par impact liquide. La frappe continue du jet de liquide sur la surface du matériau provoque une érosion par impact liquide.
• Érosion par cavitations. Lorsque la vapeur ou le gaz dans un liquide forme des cavités ou des bulles qui provoquent l’usure.

En général, la résistance à l’usure érosive peut être améliorée en augmentant la dureté de la surface, en utilisant des matériaux appropriés et une conception appropriée du produit. Certaines mesures spécifiques pouvant être prises pour modifier les conditions d’écoulement comprennent : la réduction de la vitesse du fluide, l’élimination des turbulences lors des désalignements et la prévention des virages serrés.

Érosion – Corrosion

L’érosion peut également se produire en combinaison avec d’autres formes de dégradation, telles que la corrosion. On parle alors d’érosion-corrosion. La corrosion par érosion est un processus de dégradation des matériaux dû à l’effet combiné de la corrosion et de l’usure. Presque tous les fluides corrosifs fluides ou turbulents peuvent provoquer une corrosion par érosion. Le mécanisme peut être décrit comme suit:

• érosion mécanique du matériau, ou couche d’oxyde protectrice (ou passive) à sa surface,
• corrosion accrue du matériau, si la vitesse de corrosion du matériau dépend de l’épaisseur de la couche d’oxyde.

L’usure est un processus de dégradation mécanique des matériaux qui se produit sur les surfaces de frottement ou d’impact, tandis que la corrosion implique des réactions chimiques ou électrochimiques du matériau. La corrosion peut accélérer l’usure et l’usure peut accélérer la corrosion.

Usure de frottement

L’usure par frottement est un processus d’usure spécial qui se produit au niveau de la zone de contact entre deux matériaux sous charge et soumis à un mouvement relatif infime dû aux vibrations ou à une autre force. L’usure par frottement est similaire à l’usure adhésive dans la mesure où la microsoudure se produit sur les surfaces de contact. Dans l’usure par adhérence, cependant, les métaux en regard glissent les uns sur les autres, tandis que dans l’usure par frottement, les interfaces métal-métal sont essentiellement fixes. L’amplitude du mouvement de glissement relatif est souvent de l’ordre du micromètre au millimètre. Étant donné que l’usure par frottement est essentiellement un phénomène stationnaire, les débris sont retenus aux emplacements ou à proximité des emplacements où ils se sont formés à l’origine. Ces débris sont généralement constitués d’oxydes des métaux en contact. Étant donné que les débris oxydés sont généralement beaucoup plus durs que les surfaces dont ils proviennent, ils agissent souvent comme un agent abrasif qui augmente le taux de frottement. L’usure par frottement se produit généralement dans les roulements, bien que la plupart des roulements aient leurs surfaces durcies pour résister au problème.

 L’atténuation du fretting est basée sur les mesures suivantes:

• Réduire ou éliminer les vibrations. Le moyen fondamental d’éviter le fretting est de concevoir sans mouvement relatif des surfaces au contact
• Utilisation d’un matériau élastomère pour empêcher le contact métal sur métal.
• Lubrification. Le problème ici est que le joint étant essentiellement stationnaire, le lubrifiant liquide ne peut pas s’écouler à travers l’interface.

Débris Fretting – Fretting de grille à tige

Dans les centrales nucléaires, la gaine de combustible est la couche externe des barres de combustible, située entre le caloporteur du réacteur et le combustible nucléaire (c’est-à-dire les pastilles de combustible). Il est constitué d’un matériau résistant à la corrosion à faible section efficace d’absorption des neutrons thermiques (~ 0,18 × 10^–24cm²), généralement en alliage de zirconium . La gaine empêche les produits de fission radioactifs de s’échapper de la matrice combustible dans le caloporteur du réacteur et de le contaminer. Aux premières dates d’exploitation des REP et des REB, le fretting était l’un des principaux mécanismes de défaillance de cette gaine de combustible. Il a généralement deux variantes.

• Débris frottant. Le frottement des débris peut être causé par tout débris (matière étrangère – généralement métallique) qui peut pénétrer dans la grappe de combustible et qui a le potentiel de se loger entre la grille d’espacement et une barre de combustible. L’usure par frottement de la gaine de combustible peut entraîner la pénétration de la gaine.
• Frettage grille-tige. Le fretting grille-barre provient de la vibration de l’élément combustible générée par la vitesse élevée du liquide de refroidissement à travers la grille d’espacement. Des grilles d’espacement sont soudées sur les tubes guides et assurent, au moyen de ressorts et d’alvéoles, le maintien et l’écartement des crayons combustibles. Une vitesse élevée du liquide de refroidissement peut provoquer le frottement de la tige contre la partie de la grille d’espacement qui la maintient. Ce type d’usure du revêtement peut être minimisé par une conception appropriée de la grille d’espacement. Le jet de chicane est généralement regroupé sous le frottement grille-tige.

Voir aussi : AIEA, Examen des pannes de combustible dans les réacteurs refroidis à l’eau. N° NF-T-2.1. ISBN 978–92–0–102610–1, Vienne, 2010.

Fatigue de surface – usure par fatigue

En science des matériaux, la fatigue est l’affaiblissement d’un matériau causé par un chargement cyclique qui entraîne des dommages structurels progressifs, cassants et localisés. La fatigue de surface, ou usure par fatigue, est la fissuration et la piqûre subséquente des surfaces soumises à des contraintes alternées lors du contact de roulement ou aux contraintes du roulement et du glissement combinés. L’usure par fatigue se produit lorsque les particules d’usure sont détachées par la croissance cyclique de microfissures sur la surface. Ces microfissures sont soit des fissures superficielles, soit des fissures souterraines. Les cycles répétés de chargement et de déchargement auxquels les matériaux sont exposés peuvent induire la formation de fissures en subsurface ou en surface, qui finalement, après un nombre critique de cycles, entraîneront la rupture de la surface avec la formation de gros fragments, laissant de grandes piqûres en surface. Une fois qu’une fissure s’est amorcée, chaque cycle de chargement fera croître la fissure d’une petite quantité, même lorsque des contraintes alternées ou cycliques répétées sont d’une intensité considérablement inférieure à la résistance normale. Les contraintes peuvent être dues à des vibrations ou à des cycles thermiques. Des fatigues souterraines et superficielles sont observées lors de roulements et de glissements répétés, respectivement.

Usure corrosive et oxydation

L’usure corrosive est un processus de dégradation des matériaux dû à l’effet combiné de la corrosion et de l’usure. Il est défini comme le processus d’usure dans lequel le glissement a lieu dans un environnement corrosif. En l’absence de glissement, les produits de la corrosion (par exemple, les oxydes) formeraient un film généralement inférieur à un micromètre d’épaisseur sur les surfaces, ce qui aurait tendance à ralentir voire à éliminer la corrosion, mais l’action de glissement use le film. , afin que la corrosion puisse se poursuivre. L’usure par oxydation est l’une des formes les plus courantes d’usure corrosive, car un environnement riche en oxygène est un environnement typique dans lequel ce processus d’usure se produit. L’usure corrosive nécessite à la fois de la corrosion et du frottement. La corrosion chimique se produit dans un environnement hautement corrosif et dans des environnements à température et humidité élevées.

Érosion – Corrosion

L’érosion peut également se produire en combinaison avec d’autres formes de dégradation, telles que la corrosion. On parle alors d’érosion-corrosion. La corrosion par érosion est un processus de dégradation des matériaux dû à l’effet combiné de la corrosion et de l’usure. Presque tous les fluides corrosifs fluides ou turbulents peuvent provoquer une corrosion par érosion. Le mécanisme peut être décrit comme suit:

• érosion mécanique du matériau, ou couche d’oxyde protectrice (ou passive) à sa surface,
• corrosion accrue du matériau, si la vitesse de corrosion du matériau dépend de l’épaisseur de la couche d’oxyde.

L’usure est un processus de dégradation mécanique des matériaux qui se produit sur les surfaces de frottement ou d’impact, tandis que la corrosion implique des réactions chimiques ou électrochimiques du matériau. La corrosion peut accélérer l’usure et l’usure peut accélérer la corrosion.

Usure par impact

L’usure par impact est définie comme l’usure d’une surface solide due à la percussion, qui est une exposition répétitive à un contact dynamique par un autre corps solide. L’usure par impact est de la plus haute importance dans l’exploitation minière et le traitement des minéraux. L’exploitation minière et le traitement des minéraux exigent des machines et des composants résistants à l’usure, car les énergies et les masses des corps en interaction sont importantes. Pour cela, les matériaux les plus résistants à l’usure doivent être utilisés. Par exemple, le carbure de tungstène est largement utilisé dans l’exploitation minière dans les trépans de forage à marteau supérieur, les marteaux de fond de trou, les couteaux à rouleaux, les burins de charrue à longue paroi, les pics de cisaillement à longue paroi, les alésoirs de forage ascendant et les tunneliers.

Pour les paires d’impacts métalliques, le comportement de l’usure par impact implique une déformation élastique et plastique lorsque la charge d’impact ou l’énergie d’impact est élevée et/ou une fatigue accompagnée de la libération de débris d’usure due à la formation de fissures. En général, l’usure par impact des métaux est dépendante de la formation de couches déformées, en particulier lorsque l’usure par fatigue ou formation de fissures est prédominante. Dans de tels cas, les fissures souterraines s’étendent parallèlement à la surface d’une manière très similaire à l’usure par délaminage. Une dureté suffisante du composant impacté est nécessaire pour empêcher une usure rapide ou une extrusion de matière du contact par déformation plastique. Dans la plupart des situations, cette condition peut être remplie en garantissant une dureté adéquate, puis l’usure est contrôlée par d’autres caractéristiques du matériau.

Usure par cavitation

L’usure par cavitation est un processus de dégradation progressive du matériau dû à la nucléation répétée, à la croissance et à l’effondrement violent de cavités dans un liquide s’écoulant à proximité du matériau. La fatigue par cavitation est un type spécifique de mécanisme d’endommagement causé par des vibrations et des mouvements répétés dus au contact avec des liquides en circulation, l’eau étant le fluide le plus courant. La cavitation est, dans de nombreux cas, un événement indésirable. Dans les pompes centrifuges, la cavitation provoque des dommages aux composants (érosion du matériau), des vibrations, du bruit et une perte de rendement.

Le problème d’ingénierie le plus important causé par la cavitation est peut-être les dommages matériels que les bulles de cavitation peuvent causer lorsqu’elles s’effondrent à proximité d’une surface solide. L’effondrement des bulles de cavitation est un processus violent qui génère des ondes de choc et des microjets très localisés . Ils forcent le liquide énergétique dans de très petits volumes, créant ainsi des points de haute température et ces perturbations intenses génèrent des contraintes de surface très localisées et transitoires sur une surface solide. Les signes d’ érosion apparaîtront sous forme de piqûres dues à l’action de coup de bélier des bulles de vapeur qui s’effondrent. Il a été constaté que les taux de dommages par cavitation augmentent rapidement avec l’augmentation du débit volumique.

Les matériaux plus tendres peuvent  être endommagés même par  une  cavitation  à court terme. Des fosses individuelles peuvent être observées après l’effondrement d’une seule bulle. Par conséquent, des matériaux plus durs sont utilisés pour  les pompes centrifuges. Mais avec les matériaux plus durs utilisés dans la plupart des applications, la contrainte cyclique due aux effondrements répétés peut provoquer une rupture locale par fatigue de surface. Ainsi, les dommages causés par la cavitation aux métaux ont généralement l’apparence d’ une rupture par fatigue.

Lorsque les bulles de cavitation s’effondrent, elles forcent le liquide énergétique dans de très petits volumes, créant ainsi des points de haute température et émettant des ondes de choc, ces dernières étant une source de bruit. Bien que l’effondrement d’une petite cavité soit un événement à énergie relativement faible, des effondrements très localisés peuvent éroder des métaux, tels que l’acier, au fil du temps. Les piqûres causées par l’effondrement des cavités produisent une grande usure des composants et peuvent réduire considérablement la durée de vie d’une hélice ou d’une pompe.

La cavitation s’accompagne généralement de:

• Bruit. Le bruit typique est causé par l’effondrement des cavités. Le niveau de bruit résultant de la cavitation est une mesure de la sévérité de la cavitation.
• Vibrations. Les vibrations de la pompe dues à la cavitation sont généralement des vibrations à basse fréquence, généralement trouvées dans la plage de 0 à 10 Hz.
• Réduction de l’efficacité de la pompe. Une diminution de l’efficacité de la pompe est un signe plus fiable de cavitation.

Prévention de la cavitation

Les piqûres peuvent varier en taille de très petites à très grandes, ou même elles peuvent pénétrer complètement l’épaisseur d’un métal. Les dommages à la structure peuvent être catastrophiques et les pertes d’efficacité fonctionnelle peuvent être substantielles. Les méthodes de traitement de ce problème comprennent:

• Augmenter la dureté et la résistance du métal. Cependant, cela ne peut que retarder le problème plutôt que de le prévenir.
• Augmenter la rigidité de la pièce. Cela devrait réduire son amplitude de vibration, augmentant ainsi sa fréquence de vibration naturelle. Il peut être possible d’augmenter l’épaisseur de la paroi ou d’ajouter des nervures de renforcement pour modifier les caractéristiques de vibration.
• Augmenter le lissé de la surface. Les cavités ont tendance à se regrouper dans certaines zones de basse pression. Il peut être possible d’éliminer les pics et les creux de surface en dispersant les cavités.

Usure diffuse

L’usure par diffusion ou dissolution fait référence aux dommages, à l’érosion ou à la dégradation des matériaux qui se produisent à la surface d’un métal en raison de l’augmentation des températures de surface. Lorsque deux matériaux sont en contact l’un avec l’autre, les atomes d’un matériau peuvent diffuser dans l’autre, provoquant une usure par diffusion ou par dissolution. L’usure diffuse est principalement due à la chaleur produite par l’adhérence lorsque deux surfaces rugueuses se croisent, généralement lorsqu’un métal glisse sur l’autre.

Matériaux typiques résistants à l’usure

En général, l’usure est un dommage de surface induit mécaniquement qui se traduit par l’élimination progressive de matière due au mouvement relatif entre cette surface et une substance ou des substances en contact. Par conséquent, il existe un matériau parfaitement résistant à l’usure et, dans tous les cas, cela dépend fortement de nombreuses variables (par exemple, combinaison de matériaux, pression de contact, environnement, température). La dureté du matériau est corrélée à la résistance à l’usure du matériau. Si la dureté du matériau est inférieure à celle de la dureté du matériau abrasif, alors le taux d’usure est élevé. La dureté du matériau joue un rôle majeur dans la résistance à l’usure. Certains matériaux présentent des caractéristiques d’usure particulières :

• Ni₃Al – Alliage. L’aluminiure de nickel est un alliage intermétallique de nickel et d’aluminium avec des propriétés similaires à la fois à une céramique et à un métal. L’aluminiure de nickel est unique en ce qu’il a une conductivité thermique très élevée combinée à une résistance élevée à haute température. Ces propriétés, combinées à sa haute résistance et sa faible densité, le rendent idéal pour des applications spéciales comme le revêtement des aubes dans les turbines à gaz et les moteurs à réaction. Les matériaux composites avec des alliages à base de Ni₃Al comme matrice durcie par, par exemple, TiC, ZrO2, WC, SiC et graphène, sont des matériaux avancés. En 2005, le matériau le plus résistant à l’abrasion aurait été créé en incorporant des diamants dans une matrice d’aluminiure de nickel.
• Carbure de tungstène. L’usure par impact est de la plus haute importance dans l’exploitation minière et le traitement des minéraux. L’exploitation minière et le traitement des minéraux exigent des machines et des composants résistants à l’usure, car les énergies et les masses des corps en interaction sont importantes. Pour cela, les matériaux les plus résistants à l’usure doivent être utilisés. Par exemple, le carbure de tungstène est largement utilisé dans l’exploitation minière dans les trépans de forage à marteau supérieur, les marteaux de fond de trou, les couteaux à rouleaux, les burins de charrue à longue paroi, les pics de cisaillement à longue paroi, les alésoirs de forage ascendant et les tunneliers.
• Carbure de silicium. Le carbure de silicium est un composé cristallin de silicium et de carbone extrêmement dur, produit synthétiquement. Sa formule chimique est SiC. Le carbure de silicium a une dureté Mohs de 9, se rapprochant de celle du diamant. En plus de la dureté, les cristaux de carbure de silicium ont des caractéristiques de rupture qui les rendent extrêmement utiles dans les meules. Sa conductivité thermique élevée, ainsi que sa résistance à haute température, sa faible dilatation thermique et sa résistance à la réaction chimique, rendent le carbure de silicium précieux dans la fabrication d’applications à haute température et d’autres réfractaires.
• Alliages revêtus. La cémentation par traitement de surface peut être classée en tant que traitements de diffusion ou traitements de chauffage localisés. Les méthodes de diffusion introduisent des éléments d’alliage qui pénètrent dans la surface par diffusion, soit en tant qu’agents de solution solide, soit en tant qu’agents de trempabilité qui aident à la formation de martensite lors de la trempe ultérieure. Dans ce processus, la concentration d’élément d’alliage est augmentée à la surface d’un composant en acier. Les méthodes de diffusion comprennent:
• La carburation est un processus de cémentation dans lequel la concentration en carbone de surface d’un alliage ferreux (généralement un acier à faible teneur en carbone) est augmentée par diffusion à partir de l’environnement environnant. La carburation produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs moyennes) avec une excellente capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une bonne résistance au grippage.
• La nitruration est un processus de cémentation dans lequel la concentration en azote de surface d’un ferreux est augmentée par diffusion à partir du milieu environnant pour créer une surface cémentée. La nitruration produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs peu profondes) avec une bonne capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une excellente résistance au grippage.
• La boruration, également appelée boronisation, est un processus de diffusion thermochimique similaire à la nitrocarburation dans lequel les atomes de bore diffusent dans le substrat pour produire des couches de surface dures et résistantes à l’usure. Le processus nécessite une température de traitement élevée (1073-1323 K) et une longue durée (1-12 h), et peut être appliqué à une large gamme de matériaux tels que les aciers, la fonte, les cermets et les alliages non ferreux.
• Trempe au titane-carbone et au nitrure de titane. Le nitrure de titane (un matériau céramique extrêmement dur) ou les revêtements en carbure de titane peuvent être utilisés dans les outils fabriqués à partir de ce type d’acier par un procédé de dépôt physique en phase vapeur pour améliorer les performances et la durée de vie de l’outil. TiN a une dureté Vickers de 1800–2100 et il a une couleur or métallique.
• Aciers cémentés. Afin d’améliorer la résistance à l’usure des aciers, une cémentation basée sur la transformation martensitique est généralement effectuée. La trempe par transformation martensitique est l’une des méthodes de trempe les plus courantes, qui est principalement utilisée pour les aciers (c’est-à-dire les aciers au carbone ainsi que les aciers inoxydables).
• Durcissement à la flamme. La trempe à la flamme est une technique de trempe superficielle qui utilise une seule torche avec une tête spécialement conçue pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. C’est une technique similaire à la trempe par induction. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement.
• Trempe par induction. La trempe par induction est une technique de trempe superficielle qui utilise des bobines d’induction pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite sur la surface. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement.
• Durcissement au laser. La trempe au laser est une technique de trempe superficielle qui utilise un faisceau laser pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement (généralement par auto-trempe). Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant.

Quelques matériaux courants:

• 

  Fonte ductile. La fonte ductile, également connue sous le nom de fonte nodulaire ou fonte à graphite sphéroïdal, est très similaire à la fonte grise dans sa composition, mais lors de la solidification, le graphite se nuclée sous forme de particules sphériques (nodules) dans la fonte ductile, plutôt que sous forme de flocons. Les applications typiques de ce matériau comprennent les vannes, les corps de pompe, les vilebrequins, les engrenages et d’autres composants automobiles et de machines en raison de sa bonne usinabilité, de sa résistance à la fatigue et de son module d’élasticité plus élevé (par rapport à la fonte grise), et dans les engrenages à usage intensif en raison de sa haute limite d’élasticité et sa résistance à l’usure.

• Bronze d’Aluminium. Les bronzes d’aluminium sont une famille d’alliages à base de cuivre offrant une combinaison de propriétés mécaniques et chimiques inégalées par toute autre série d’alliages. Ils contiennent environ 5 à 12% d’aluminium. Le bronze d’aluminium est de plus en plus reconnu pour une grande variété d’applications nécessitant une résistance à l’usure mécanique. Sa résistance à l’usure est basée sur le transfert du métal plus tendre (bronze d’aluminium) au métal plus dur (acier) et la formation d’une fine couche de métal plus tendre sur le métal plus dur.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Modes de défaillance [/lgc_column ]

L’American Society for Testing and Materials définit la durée de vie en fatigue, N_f, comme le nombre de cycles de contrainte d’un caractère spécifié qu’un spécimen subit avant qu’une défaillance d’une nature spécifiée ne se produise. La durée de vie en fatigue est affectée par les contraintes cycliques, les contraintes résiduelles, les propriétés des matériaux, les défauts internes, la taille des grains, la température, la géométrie de conception, la qualité de surface, l’oxydation, la corrosion, etc. Pour certains matériaux, notamment l’acier et le titane, il existe une valeur théorique de contrainte amplitude en dessous de laquelle le matériau ne se rompra pas pendant un certain nombre de cycles, appelée limite de fatigue, limite d’ endurance ou résistance à la fatigue.

Les ingénieurs utilisent un certain nombre de méthodes pour déterminer la durée de vie en fatigue d’un matériau. L’une des plus utiles est la méthode contrainte-vie, généralement caractérisée par une courbe SN, également appelée courbe de Wöhler. Cette méthode est illustrée dans la figure Elle trace la contrainte appliquée (S) en fonction de la durée de vie du composant ou du nombre de cycles jusqu’à la défaillance (N). Au fur et à mesure que la contrainte diminue à partir d’une valeur élevée, la durée de vie des composants augmente lentement au début, puis assez rapidement. Parce que la fatigue comme la rupture fragile a une telle nature variable, les données utilisées pour tracer la courbe seront traitées statistiquement. La dispersion des résultats est une conséquence de la sensibilité à la fatigue d’un certain nombre de paramètres d’essai et de matériaux impossibles à contrôler avec précision.

Les termes suivants sont définis pour la courbe SN:

• Limite de fatigue. La limite de fatigue (également parfois appelée limite d’endurance) est le niveau de contrainte en dessous duquel la rupture par fatigue ne se produit pas. Cette limite n’existe que pour certains alliages ferreux (à base de fer) et de titane, pour lesquels la courbe S – N devient horizontale à des valeurs N plus élevées. D’autres métaux de structure, tels que l’aluminium et le cuivre, n’ont pas de limite distincte et finiront par échouer même à partir de petites amplitudes de contrainte. Les valeurs typiques de la limite pour les aciers sont la moitié de la résistance ultime à la traction, jusqu’à un maximum de 290 MPa (42 ksi).
• Résistance à la fatigue. L’ASTM définit la résistance à la fatigue, S _Nf , comme la valeur de la contrainte à laquelle la rupture se produit après un certain nombre de cycles spécifiés (par exemple, 10⁷ cycles). Par exemple, la résistance à la fatigue de l’alliage de titane Ti-6Al-4V recuit est d’environ 240 MPa. à 10⁷ cycles et le facteur de concentration de contrainte = 3,3.
• La vie en fatigue. La durée de vie caractérise le comportement à la fatigue d’un matériau. C’est le nombre de cycles pour provoquer une défaillance à un niveau de contrainte spécifié, tel qu’il est tiré du diagramme S – N

Le processus de rupture par fatigue se caractérise par trois étapes distinctes:

• Amorçage de fissure, dans lequel une petite fissure se forme à un certain point de forte concentration de contraintes.
• Propagation de la fissure, au cours de laquelle cette fissure progresse progressivement à chaque cycle de contrainte. La majeure partie de la durée de vie en fatigue est généralement consommée dans la phase de croissance des fissures.
• La rupture ultime, qui se produit très rapidement une fois que la fissure en progression a atteint une taille critique.

Les fissures associées à la rupture par fatigue commencent presque toujours (ou nucléent) à la surface d’un composant à un certain point de concentration de contraintes. Tout ce qui entraîne une concentration de contraintes et le développement de fissures réduira la durée de vie en fatigue. Par conséquent, l’augmentation du degré de finition de surface, le polissage par rapport au meulage, améliore la résistance à la fatigue. L’augmentation de la résistance et de la dureté des couches de surface des composants métalliques améliorera également la résistance à la fatigue.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Fatigue

En général, portez est un dommage de surface induit mécaniquement qui entraîne l’élimination progressive de matière en raison du mouvement relatif entre cette surface et une substance ou des substances en contact. Une substance de contact peut consister en une autre surface, un fluide, ou des particules abrasives dures contenues dans une certaine forme de fluide ou de suspension, comme un lubrifiant par exemple. Comme pour le frottement, la présence d’usure peut être bonne ou mauvaise. Une usure productive et contrôlée peut être trouvée dans des processus tels que l’usinage, la coupe, le meulage et le polissage. Cependant, dans la plupart des applications technologiques, l’apparition d’usure est hautement indésirable et c’est un problème extrêmement coûteux puisqu’il conduit à la détérioration ou même à la défaillance des composants. En termes de sécurité, ce n’est souvent pas aussi grave (ou aussi soudain) qu’une fracture. C’est parce que l’usure est généralement anticipée.

Certaines caractéristiques du matériau telles que la dureté, le type de carbure et le pourcentage en volume peuvent avoir un impact décisif sur la résistance à l’usure d’un matériau dans une application donnée. L’usure, comme la corrosion, a plusieurs types et sous-types, est prévisible dans une certaine mesure et est plutôt difficile à tester et à évaluer de manière fiable en laboratoire ou en service.

Dureté de surface et résistance à l’usure

La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté. Si la dureté du matériau est supérieure à celle du matériau abrasif, le taux d’usure sera moindre.

La cémentation ou la trempe superficielle est le processus dans lequel la dureté de la surface (boîte) d’un objet est améliorée, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. Après ce processus, la dureté de surface, la résistance à l’usure et la durée de vie à la fatigue sont améliorées. Ceci est accompli par plusieurs processus tels qu’un processus de carburation ou de nitruration par lequel un composant est exposé à une atmosphère carbonée ou azotée à température élevée. Comme cela a été écrit, deux caractéristiques matérielles principales sont influencées:

• La dureté et la résistance à l’usure sont considérablement améliorées. En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.
• La ténacité n’est pas influencée négativement. La ténacité est la capacité d’un matériau à absorber de l’énergie et à se déformer plastiquement sans se fracturer. Une définition de la ténacité (pour taux de déformation élevé, ténacité à la rupture) est qu’il s’agit d’une propriété qui indique la résistance d’un matériau à la rupture lorsqu’une fissure (ou un autre défaut de concentration de contrainte) est présente.

Pour le fer ou l’acier à faible teneur en carbone, qui a une trempabilité faible ou nulle, le processus de cémentation consiste à infuser du carbone ou de l’azote supplémentaire dans la couche de surface. La cémentation est utile dans des pièces telles qu’une came ou une couronne dentée qui doivent avoir une surface très dure pour résister à l’usure, ainsi qu’un intérieur résistant pour résister à l’impact qui se produit pendant le fonctionnement. De plus, la trempe superficielle de l’acier présente un avantage par rapport à la trempe en profondeur (c’est-à-dire le durcissement du métal uniformément sur toute la pièce) car les aciers à faible et moyenne teneur en carbone moins chers peuvent être durcis en surface sans les problèmes de distorsion et de fissuration associés à la par durcissement de sections épaisses. Une couche de surface externe riche en carbone ou en azote (ou cas) est introduit par diffusion atomique à partir de la phase gazeuse. Le boîtier est normalement de l’ordre de 1 mm de profondeur et est plus dur que le noyau interne du matériau.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Wear

En général, portez est un dommage de surface induit mécaniquement qui entraîne l’élimination progressive de matière en raison du mouvement relatif entre cette surface et une substance ou des substances en contact. Une substance de contact peut consister en une autre surface, un fluide, ou des particules abrasives dures contenues dans une certaine forme de fluide ou de suspension, comme un lubrifiant par exemple. Comme pour le frottement, la présence d’usure peut être bonne ou mauvaise. Une usure productive et contrôlée peut être trouvée dans des processus tels que l’usinage, la coupe, le meulage et le polissage. Cependant, dans la plupart des applications technologiques, l’apparition d’usure est hautement indésirable et c’est un problème extrêmement coûteux puisqu’il conduit à la détérioration ou même à la défaillance des composants. En termes de sécurité, ce n’est souvent pas aussi grave (ou aussi soudain) qu’une fracture. C’est parce que l’usure est généralement anticipée.

Certaines caractéristiques du matériau telles que la dureté, le type de carbure et le pourcentage en volume peuvent avoir un impact décisif sur la résistance à l’usure d’un matériau dans une application donnée. L’usure, comme la corrosion, a plusieurs types et sous-types, est prévisible dans une certaine mesure et est plutôt difficile à tester et à évaluer de manière fiable en laboratoire ou en service.

Tribologie

La tribologie est la science interdisciplinaire des surfaces en interaction en mouvement relatif. La tribologie comprend l’étude et l’application des principes de frottement, de lubrification et d’usure sous charge appliquée. Le fonctionnement efficace et les performances robustes de ces composants de machine dépendent fortement de la tribologie. Le contrôle des frottements permet de réduire les pertes d’énergie et d’améliorer l’efficacité et la durée de vie des machines. L’usure du matériau d’une surface peut entraîner de graves dommages et une défaillance du composant et/ou de la machine. L’approche la plus courante pour réduire le frottement et minimiser l’usure et les défaillances catastrophiques des composants de la machine ou de la machine elle-même consiste à sélectionner correctement les matériaux et les lubrifiants. Dans la plupart des composants de la machine, des lubrifiants sont utilisés pour réduire la friction et prévenir l’usure.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Wear

En général, portez est un dommage de surface induit mécaniquement qui entraîne l’élimination progressive de matière en raison du mouvement relatif entre cette surface et une substance ou des substances en contact. Une substance de contact peut consister en une autre surface, un fluide, ou des particules abrasives dures contenues dans une certaine forme de fluide ou de suspension, comme un lubrifiant par exemple. Comme pour le frottement, la présence d’usure peut être bonne ou mauvaise. Une usure productive et contrôlée peut être trouvée dans des processus tels que l’usinage, la coupe, le meulage et le polissage. Cependant, dans la plupart des applications technologiques, l’apparition d’usure est hautement indésirable et c’est un problème extrêmement coûteux puisqu’il conduit à la détérioration ou même à la défaillance des composants. En termes de sécurité, ce n’est souvent pas aussi grave (ou aussi soudain) qu’une fracture. C’est parce que l’usure est généralement anticipée.

Certaines caractéristiques du matériau telles que la dureté, le type de carbure et le pourcentage en volume peuvent avoir un impact décisif sur la résistance à l’usure d’un matériau dans une application donnée. L’usure, comme la corrosion, a plusieurs types et sous-types, est prévisible dans une certaine mesure et est plutôt difficile à tester et à évaluer de manière fiable en laboratoire ou en service.

Types d’usure

L’usure est généralement classée selon ce que l’on appelle les types d’usure, qui se produisent isolément ou en interaction complexe. Les mécanismes et/ou sous-mécanismes d’usure se chevauchent fréquemment et se produisent de manière synergique, produisant un taux d’usure supérieur à la somme des mécanismes d’usure individuels. Les types d’usure les plus courants sont:

• L’usure abrasive
• Usure adhésive
• Fatigue superficielle
• Usure de frottement
• Usure érosive
• Usure par corrosion et oxydation

D’autres types d’usure moins courants sont:

• Usure par impact
• Usure par cavitation
• Usure diffuse

L’usure abrasive

L’usure par abrasion est définie comme la perte de matière due aux particules dures ou aux protubérances dures qui sont forcées contre et se déplacent le long d’une surface solide. Cela se produit lorsqu’une surface dure et rugueuse glisse sur une surface plus molle. Ce mécanisme est parfois appelé usure par meulage. Le matériau plus dur peut être l’une des surfaces de frottement ou des particules dures qui ont trouvé leur chemin entre les surfaces de contact. Il peut s’agir de particules « étrangères » ou de particules résultant de l’usure de l’adhésif ou du délaminage. L’abrasion implique principalement des processus de coupe et de labour à petite échelle. La façon dont une aspérité glisse sur une surface détermine la nature et l’intensité de l’usure par abrasion. Il existe deux modes de base d’usure par abrasion:

• Usure abrasive à deux corps. L’usure à deux corps se produit lorsque les grains ou les particules dures enlèvent de la matière de la surface opposée. L’analogie courante est celle du matériau enlevé ou déplacé par une opération de coupe ou de labour.
• Usure abrasive à trois corps. L’usure à trois corps se produit lorsque les particules ne sont pas contraintes et sont libres de rouler et de glisser sur une surface. L’environnement de contact détermine si l’usure est classée comme ouverte ou fermée. Un environnement de contact ouvert se produit lorsque les surfaces sont suffisamment déplacées pour être indépendantes les unes des autres.

Il existe un certain nombre de stratégies différentes pour atténuer l’usure par abrasion, mais la règle générale pour la sélection des matériaux est la suivante: plus c’est dur, mieux c’est. Matériaux qui contiennent un pourcentage relativement élevé de carbures d’alliages durs et résistants à l’usure, tels que certains aciers à outils et aciers rapides.

Usure adhésive

L’usure adhésive provient de la liaison d’aspérités ou de points hauts microscopiques (rugosité de surface) entre deux matériaux de glissement. Lorsqu’un pic d’une surface entre en contact avec un pic de l’autre surface, une microsoudure instantanée peut avoir lieu en raison de la chaleur générée par le frottement résultant. Il en résulte un détachement ou un transfert de matière d’une surface à l’autre. Pour qu’une usure adhésive se produise, il est nécessaire que les surfaces soient en contact intime les unes avec les autres. Cela peut entraîner un déplacement et une fixation indésirables des débris d’usure et des composés de matériaux d’une surface à l’autre. Usure adhésive peut entraîner une augmentation de la rugosité et la création de protubérances (c’est-à-dire de grumeaux) au-dessus de la surface d’origine. Les surfaces séparées par des films lubrifiants, des films d’oxyde, etc. réduisent la tendance à l’adhérence. Dans certaines applications d’ingénierie, les surfaces glissent dans l’air ou sans lubrifiant et l’usure qui en résulte est appelée glissement à sec.

L’usure adhésive dépend des matériaux impliqués, du degré de lubrification fourni et de l’environnement. Une lubrification adéquate permet un fonctionnement régulier et continu des éléments de la machine, réduit le taux d’usure et évite les contraintes excessives ou les grippages au niveau des roulements. Lorsque la lubrification tombe en panne, les composants peuvent frotter de manière destructrice les uns contre les autres, provoquant de la chaleur, des soudures locales, des dommages destructeurs et des pannes. Par exemple, les aciers inoxydables austénitiques (par exemple AISI 304) glissant contre eux-mêmes sont très susceptibles de transférer de la matière et du galle, entraînant de graves dommages de surface. D’autres matériaux sujets à l’usure adhésive comprennent le titane, le nickel et le zirconium. D’autre part, le bronze d’aluminium a trouvé une reconnaissance croissante pour une grande variété d’applications nécessitant une résistance à l’usure mécanique. Sa résistance à l’usure est basée sur le transfert du métal plus tendre (bronze d’aluminium) au métal plus dur (acier) et la formation d’une fine couche de métal plus tendre sur le métal plus dur.

Par exemple, la fonction principale de l’huile moteur est de réduire la friction et l’usure des pièces mobiles (pour réduire l’usure de l’adhésif) et de nettoyer le moteur des boues, tandis qu’un filtre est conçu pour éliminer les contaminants et les particules abrasives de l’huile moteur.

Usure par érosion

L’usure par érosion est un processus d’élimination progressive de matière d’une surface cible en raison d’impacts répétés de particules solides. Les particules en suspension dans le flux de mélange liquide solide érodent les passes mouillées limitant la durée de vie des équipements utilisés pour le système de transport de lisier. Chaque particule coupe ou fracture une infime quantité de matériau (appelée copeaux d’usure ) de la surface. Si cela se répète sur une longue période de temps, une quantité importante de perte matérielle peut en résulter.

L’usure par érosion est courante dans les pompes et les turbines, les ventilateurs, les conduites de vapeur et les buses, à l’intérieur des coudes prononcés des tubes et des tuyaux. Par conséquent, il s’agit d’un mécanisme largement rencontré dans l’industrie et l’ingénierie énergétique. En raison de la nature du processus de convoyage, les systèmes de tuyauterie sont sujets à l’usure lorsque des particules abrasives doivent être transportées.

L’usure par érosion est causée par l’énergie cinétique transférée à la surface cible par l’impact de particules solides. Le taux d’usure érosive dépend d’un certain nombre de facteurs. Les caractéristiques matérielles des particules, telles que leur forme, leur dureté, leur vitesse d’impact et leur angle d’impact sont des facteurs primaires, ainsi que les propriétés de la surface érodée. La perte de matériau du matériau cible est plus élevée pour une énergie cinétique plus élevée de la particule incidente. Ainsi, la vitesse d’impact affecte largement l’usure par érosion du matériau cible. L’angle d’impact est l’un des facteurs les plus importants et est largement reconnu dans la littérature. Les courbes ou virages serrés ont tendance à produire plus d’érosion que les courbes douces.

L’usure par érosion peut être classée en trois catégories:

• Érosion des particules solides. L’érosion des particules solides est la perte de volume de matériau du matériau cible en raison de l’impact continu des particules solides présentes dans le fluide en écoulement.
• Érosion par impact liquide. La frappe continue du jet de liquide sur la surface du matériau provoque une érosion par impact liquide.
• Érosion par cavitations. Lorsque la vapeur ou le gaz dans un liquide forme des cavités ou des bulles qui provoquent l’usure.

En général, la résistance à l’usure érosive peut être améliorée en augmentant la dureté de la surface, en utilisant des matériaux appropriés et une conception appropriée du produit. Certaines mesures spécifiques pouvant être prises pour modifier les conditions d’écoulement comprennent : la réduction de la vitesse du fluide, l’élimination des turbulences lors des désalignements et la prévention des virages serrés.

Érosion – Corrosion

L’érosion peut également se produire en combinaison avec d’autres formes de dégradation, telles que la corrosion. On parle alors d’érosion-corrosion. La corrosion par érosion est un processus de dégradation des matériaux dû à l’effet combiné de la corrosion et de l’usure. Presque tous les fluides corrosifs fluides ou turbulents peuvent provoquer une corrosion par érosion. Le mécanisme peut être décrit comme suit:

• érosion mécanique du matériau, ou couche d’oxyde protectrice (ou passive) à sa surface,
• corrosion accrue du matériau, si la vitesse de corrosion du matériau dépend de l’épaisseur de la couche d’oxyde.

L’usure est un processus de dégradation mécanique des matériaux qui se produit sur les surfaces de frottement ou d’impact, tandis que la corrosion implique des réactions chimiques ou électrochimiques du matériau. La corrosion peut accélérer l’usure et l’usure peut accélérer la corrosion.

Usure de frottement

L’usure par frottement est un processus d’usure spécial qui se produit au niveau de la zone de contact entre deux matériaux sous charge et soumis à un mouvement relatif infime dû aux vibrations ou à une autre force. L’usure par frottement est similaire à l’usure adhésive dans la mesure où la microsoudure se produit sur les surfaces de contact. Dans l’usure par adhérence, cependant, les métaux en regard glissent les uns sur les autres, tandis que dans l’usure par frottement, les interfaces métal-métal sont essentiellement fixes. L’amplitude du mouvement de glissement relatif est souvent de l’ordre du micromètre au millimètre. Étant donné que l’usure par frottement est essentiellement un phénomène stationnaire, les débris sont retenus aux emplacements ou à proximité des emplacements où ils se sont formés à l’origine. Ces débris sont généralement constitués d’oxydes des métaux en contact. Étant donné que les débris oxydés sont généralement beaucoup plus durs que les surfaces dont ils proviennent, ils agissent souvent comme un agent abrasif qui augmente le taux de frottement. L’usure par frottement se produit généralement dans les roulements, bien que la plupart des roulements aient leurs surfaces durcies pour résister au problème.

 L’atténuation du fretting est basée sur les mesures suivantes :

• Réduire ou éliminer les vibrations. Le moyen fondamental d’éviter le fretting est de concevoir sans mouvement relatif des surfaces au contact
• Utilisation d’un matériau élastomère pour empêcher le contact métal sur métal.
• Lubrification. Le problème ici est que le joint étant essentiellement stationnaire, le lubrifiant liquide ne peut pas s’écouler à travers l’interface.

Débris Fretting – Fretting de grille à tige

Dans les centrales nucléaires, la gaine de combustible est la couche externe des barres de combustible, située entre le caloporteur du réacteur et le combustible nucléaire (c’est-à-dire les pastilles de combustible). Il est constitué d’un matériau résistant à la corrosion à faible section efficace d’absorption des neutrons thermiques (~ 0,18 × 10^–24cm²), généralement en alliage de zirconium. La gaine empêche les produits de fission radioactifs de s’échapper de la matrice combustible dans le caloporteur du réacteur et de le contaminer. Aux premières dates d’exploitation des REP et des REB, le fretting était l’un des principaux mécanismes de défaillance de cette gaine de combustible. Il a généralement deux variantes.

• Débris frottant. Le frottement des débris peut être causé par tout débris (matière étrangère – généralement métallique) qui peut pénétrer dans la grappe de combustible et qui a le potentiel de se loger entre la grille d’espacement et une barre de combustible. L’usure par frottement de la gaine de combustible peut entraîner la pénétration de la gaine.
• Frettage grille-tige. Le fretting grille-barre provient de la vibration de l’élément combustible générée par la vitesse élevée du liquide de refroidissement à travers la grille d’espacement. Des grilles d’espacement sont soudées sur les tubes guides et assurent, au moyen de ressorts et d’alvéoles, le maintien et l’écartement des crayons combustibles. Une vitesse élevée du liquide de refroidissement peut provoquer le frottement de la tige contre la partie de la grille d’espacement qui la maintient. Ce type d’usure du revêtement peut être minimisé par une conception appropriée de la grille d’espacement. Le jet de chicane est généralement regroupé sous le frottement grille-tige.

Voir aussi : AIEA, Examen des pannes de combustible dans les réacteurs refroidis à l’eau. N° NF-T-2.1. ISBN 978–92–0–102610–1, Vienne, 2010.

Fatigue de surface – usure par fatigue

En science des matériaux, la fatigue est l’affaiblissement d’un matériau causé par un chargement cyclique qui entraîne des dommages structurels progressifs, cassants et localisés. La fatigue de surface, ou usure par fatigue, est la fissuration et la piqûre subséquente des surfaces soumises à des contraintes alternées lors du contact de roulement ou aux contraintes du roulement et du glissement combinés. L’usure par fatigue se produit lorsque les particules d’usure sont détachées par la croissance cyclique de microfissures sur la surface. Ces microfissures sont soit des fissures superficielles, soit des fissures souterraines. Les cycles répétés de chargement et de déchargement auxquels les matériaux sont exposés peuvent induire la formation de fissures en subsurface ou en surface, qui finalement, après un nombre critique de cycles, entraîneront la rupture de la surface avec la formation de gros fragments, laissant de grandes piqûres en surface. Une fois qu’une fissure s’est amorcée, chaque cycle de chargement fera croître la fissure d’une petite quantité, même lorsque des contraintes alternées ou cycliques répétées sont d’une intensité considérablement inférieure à la résistance normale. Les contraintes peuvent être dues à des vibrations ou à des cycles thermiques. Des fatigues souterraines et superficielles sont observées lors de roulements et de glissements répétés, respectivement.

Usure corrosive et oxydation

L’usure corrosive est un processus de dégradation des matériaux dû à l’effet combiné de la corrosion et de l’usure. Il est défini comme le processus d’usure dans lequel le glissement a lieu dans un environnement corrosif. En l’absence de glissement, les produits de la corrosion (par exemple, les oxydes) formeraient un film généralement inférieur à un micromètre d’épaisseur sur les surfaces, ce qui aurait tendance à ralentir voire à éliminer la corrosion, mais l’action de glissement use le film. , afin que la corrosion puisse se poursuivre. L’usure par oxydation est l’une des formes les plus courantes d’usure corrosive, car un environnement riche en oxygène est un environnement typique dans lequel ce processus d’usure se produit. L’usure corrosive nécessite à la fois de la corrosion et du frottement. La corrosion chimique se produit dans un environnement hautement corrosif et dans des environnements à température et humidité élevées.

Érosion – Corrosion

L’érosion peut également se produire en combinaison avec d’autres formes de dégradation, telles que la corrosion. On parle alors d’érosion-corrosion. La corrosion par érosion est un processus de dégradation des matériaux dû à l’effet combiné de la corrosion et de l’usure. Presque tous les fluides corrosifs fluides ou turbulents peuvent provoquer une corrosion par érosion. Le mécanisme peut être décrit comme suit:

• érosion mécanique du matériau, ou couche d’oxyde protectrice (ou passive) à sa surface,
• corrosion accrue du matériau, si la vitesse de corrosion du matériau dépend de l’épaisseur de la couche d’oxyde.

L’usure est un processus de dégradation mécanique des matériaux qui se produit sur les surfaces de frottement ou d’impact, tandis que la corrosion implique des réactions chimiques ou électrochimiques du matériau. La corrosion peut accélérer l’usure et l’usure peut accélérer la corrosion.

Usure par impact

L’usure par impact est définie comme l’usure d’une surface solide due à la percussion, qui est une exposition répétitive à un contact dynamique par un autre corps solide. L’usure par impact est de la plus haute importance dans l’exploitation minière et le traitement des minéraux. L’exploitation minière et le traitement des minéraux exigent des machines et des composants résistants à l’usure, car les énergies et les masses des corps en interaction sont importantes. Pour cela, les matériaux les plus résistants à l’usure doivent être utilisés. Par exemple, le carbure de tungstène est largement utilisé dans l’exploitation minière dans les trépans de forage à marteau supérieur, les marteaux de fond de trou, les couteaux à rouleaux, les burins de charrue à longue paroi, les pics de cisaillement à longue paroi, les alésoirs de forage ascendant et les tunneliers.

Pour les paires d’impacts métalliques, le comportement de l’usure par impact implique une déformation élastique et plastique lorsque la charge d’impact ou l’énergie d’impact est élevée et/ou une fatigue accompagnée de la libération de débris d’usure due à la formation de fissures. En général, l’usure par impact des métaux est dépendante de la formation de couches déformées, en particulier lorsque l’usure par fatigue ou formation de fissures est prédominante. Dans de tels cas, les fissures souterraines s’étendent parallèlement à la surface d’une manière très similaire à l’usure par délaminage. Une dureté suffisante du composant impacté est nécessaire pour empêcher une usure rapide ou une extrusion de matière du contact par déformation plastique. Dans la plupart des situations, cette condition peut être remplie en garantissant une dureté adéquate, puis l’usure est contrôlée par d’autres caractéristiques du matériau.

Usure par cavitation

L’usure par cavitation est un processus de dégradation progressive du matériau dû à la nucléation répétée, à la croissance et à l’effondrement violent de cavités dans un liquide s’écoulant à proximité du matériau. La fatigue par cavitation est un type spécifique de mécanisme d’endommagement causé par des vibrations et des mouvements répétés dus au contact avec des liquides en circulation, l’eau étant le fluide le plus courant. La cavitation est, dans de nombreux cas, un événement indésirable. Dans les pompes centrifuges, la cavitation provoque des  dommages aux composants (érosion du matériau), des vibrations, du bruit et une perte de rendement.

Le problème d’ingénierie le plus important causé par la cavitation est peut-être les dommages matériels que les bulles de cavitation peuvent causer lorsqu’elles s’effondrent à proximité d’une surface solide. L’effondrement des bulles de cavitation est un processus violent qui génère des ondes de choc et des microjets très localisés . Ils forcent le liquide énergétique dans de très petits volumes, créant ainsi des points de haute température et ces perturbations intenses génèrent des contraintes de surface très localisées et transitoires sur une surface solide. Les signes d’ érosion apparaîtront sous forme de piqûres dues à l’action de coup de bélier des bulles de vapeur qui s’effondrent. Il a été constaté que les taux de dommages par cavitation augmentent rapidement avec l’augmentation du débit volumique.

Les matériaux plus tendres peuvent être endommagés même par  une  cavitation  à court terme. Des fosses individuelles peuvent être observées après l’effondrement d’une seule bulle. Par conséquent, des matériaux plus durs sont utilisés pour les pompes centrifuges. Mais avec les matériaux plus durs utilisés dans la plupart des applications, la contrainte cyclique due aux effondrements répétés peut provoquer une rupture locale par fatigue de surface. Ainsi, les dommages causés par la cavitation aux métaux ont généralement l’apparence d’ une rupture par fatigue.

Lorsque les bulles de cavitation s’effondrent, elles forcent le liquide énergétique dans de très petits volumes, créant ainsi des points de haute température et émettant des ondes de choc, ces dernières étant une source de bruit. Bien que l’effondrement d’une petite cavité soit un événement à énergie relativement faible, des effondrements très localisés peuvent éroder des métaux, tels que l’acier, au fil du temps. Les piqûres causées par l’effondrement des cavités produisent une grande usure des composants et peuvent réduire considérablement la durée de vie d’une hélice ou d’une pompe.

La cavitation s’accompagne généralement de:

• Bruit. Le bruit typique est causé par l’effondrement des cavités. Le niveau de bruit résultant de la cavitation est une mesure de la sévérité de la cavitation.
• Vibrations. Les vibrations de la pompe dues à la cavitation sont généralement des vibrations à basse fréquence, généralement trouvées dans la plage de 0 à 10 Hz.
• Réduction de l’efficacité de la pompe. Une diminution de l’efficacité de la pompe est un signe plus fiable de cavitation.

Prévention de la cavitation

Les piqûres peuvent varier en taille de très petites à très grandes, ou même elles peuvent pénétrer complètement l’épaisseur d’un métal. Les dommages à la structure peuvent être catastrophiques et les pertes d’efficacité fonctionnelle peuvent être substantielles. Les méthodes de traitement de ce problème comprennent:

• Augmenter la dureté et la résistance du métal. Cependant, cela ne peut que retarder le problème plutôt que de le prévenir.
• Augmenter la rigidité de la pièce. Cela devrait réduire son amplitude de vibration, augmentant ainsi sa fréquence de vibration naturelle. Il peut être possible d’augmenter l’épaisseur de la paroi ou d’ajouter des nervures de renforcement pour modifier les caractéristiques de vibration.
• Augmenter le lissé de la surface. Les cavités ont tendance à se regrouper dans certaines zones de basse pression. Il peut être possible d’éliminer les pics et les creux de surface en dispersant les cavités.

Usure diffuse

L’usure par diffusion ou dissolution fait référence aux dommages, à l’érosion ou à la dégradation des matériaux qui se produisent à la surface d’un métal en raison de l’augmentation des températures de surface. Lorsque deux matériaux sont en contact l’un avec l’autre, les atomes d’un matériau peuvent diffuser dans l’autre, provoquant une usure par diffusion ou par dissolution. L’usure diffuse est principalement due à la chaleur produite par l’adhérence lorsque deux surfaces rugueuses se croisent, généralement lorsqu’un métal glisse sur l’autre.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
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