Que sont les modes de défaillance des matériaux – Définition

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.

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