Qu’est-ce que la fragilité – Définition

En science des matériaux, la fragilité est comprise comme le manque de ductilité. Pour les ingénieurs, la compréhension de la différence entre matériau fragile et ductile est de la plus haute importance. Il existe des ruptures (par exemple rupture fragile), qui se produisent dans des conditions spécifiques sans avertissement et peuvent causer des dommages importants aux matériaux. La rupture fragile se produit soudainement et catastrophiquement sans aucun avertissement. Ceci est une conséquence de la propagation spontanée et rapide des fissures. 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.

Dans l’essai de traction, le point de rupture est le point de déformation où le matériau se sépare physiquement. À ce point, la déformation atteint sa valeur maximale et le matériau se rompt effectivement, même si la contrainte correspondante peut être inférieure à la résistance ultime à ce point. Les matériaux ductiles ont une résistance à la rupture inférieure à la résistance ultime à la traction (UTS), alors que dans les matériaux fragiles, la résistance à la rupture est équivalente à l’UTS. Si un matériau ductile atteint sa résistance ultime à la traction dans une situation de charge contrôlée, il continuera à se déformer, sans application de charge supplémentaire, jusqu’à ce qu’il se rompe. Cependant, si le chargement est contrôlé en déplacement, la déformation du matériau peut soulager la charge, empêchant la rupture. Il est possible de distinguer certaines caractéristiques communes entre les courbes contrainte-déformation de divers groupes de matériaux.

Fracture du matériau

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 des ruptures (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 .

Dans l’essai de traction, le point de rupture est le point de déformation où le matériau se sépare physiquement. À ce point, la déformation atteint sa valeur maximale et le matériau se rompt effectivement, même si la contrainte correspondante peut être inférieure à la résistance ultime à ce point. Les matériaux ductiles ont une résistance à la rupture inférieure à la résistance ultime à la traction (UTS), alors que dans les matériaux fragiles, la résistance à la rupture est équivalente à l’UTS. Si un matériau ductile atteint sa résistance ultime à la traction dans une situation de charge contrôlée, il continuera à se déformer, sans application de charge supplémentaire, jusqu’à ce qu’il se rompe. Cependant, si le chargement est contrôlé en déplacement, la déformation du matériau peut soulager la charge, empêchant la rupture. Il est possible de distinguer certaines caractéristiques communes entre les courbes contrainte-déformation de divers groupes de matériaux. Sur cette base, il est possible de diviser les matériaux en deux grandes catégories; à savoir:

• Matériaux ductiles. La ductilité est la capacité d’un matériau à s’allonger en traction. Un matériau ductile se déformera (s’allongera) plus qu’un matériau fragile. Les matériaux ductiles présentent de grandes déformations avant rupture. Dans la rupture ductile, une déformation plastique importante (rétrécissement) a lieu avant la rupture. Rupture ductile (rupture par cisaillement) est meilleure que la rupture fragile, car il y a une propagation lente et une absorption d’une grande quantité d’énergie avant la rupture. Tout processus de rupture implique deux étapes, la formation et la propagation de fissures, en réponse à une contrainte imposée. Le mode de rupture est fortement dépendant du mécanisme de propagation des fissures. Les fissures dans les matériaux ductiles sont dites stables (c’est-à-dire qu’elles résistent à l’extension sans augmentation de la contrainte appliquée). Pour les matériaux fragiles, les fissures sont instables. Cela signifie que la propagation des fissures, une fois commencée, se poursuit spontanément sans augmentation du niveau de contrainte. La ductilité est souhaitable dans les applications à haute température et haute pression dans les réacteurs en raison des contraintes supplémentaires sur les métaux. La ductilité élevée dans ces applications aide à prévenir les ruptures fragiles.
• Matériaux fragiles. Les matériaux fragiles, lorsqu’ils sont soumis à des contraintes, se rompent avec peu de déformation élastique et sans déformation plastique importante. Les matériaux fragiles absorbent relativement peu d’énergie avant la rupture, même ceux à haute résistance. En cas de rupture fragile (clivage transgranulaire), aucune déformation plastique apparente n’a lieu avant la rupture. En cristalographie, le clivage est la tendance des matériaux cristallins à se diviser le long de plans structurels cristallographiques définis. Tout processus de rupture implique deux étapes, la formation et la propagation de fissures, en réponse à une contrainte imposée. Le mode de rupture est fortement dépendant du mécanisme de propagation des fissures. Pour les matériaux fragiles, les fissures sont instables. Cela signifie que la propagation des fissures, une fois commencée, se poursuit spontanément sans augmentation du niveau de contrainte. Les fissures se propagent rapidement (vitesse du son) et se produisent à des vitesses élevées – jusqu’à 2133,6 m/s dans l’acier. Il convient de noter qu’une taille de grain plus petite , une température plus élevée et une contrainte plus faible ont tendance à atténuer l’initiation des fissures. Une taille de grain plus grande, des températures plus basses et une contrainte plus élevée ont tendance à favoriser la propagation des fissures. Il existe un niveau de contrainte en dessous duquel une fissure ne se propagera à aucune température. C’est ce qu’on appelle la contrainte de propagation de rupture inférieure. Pour une rupture fragile, la surface de rupture est relativement plate et perpendiculaire à la direction de la charge de traction appliquée. En général, la rupture fragile nécessite trois conditions:
  • Défaut tel qu’une fissure
  • Contrainte suffisante pour développer une petite déformation en pointe de fissure
  • Température égale ou inférieure au DBTT

Température de transition ductile-fragile

Comme cela a été écrit, la distinction entre fragilité et ductilité n’est pas évidente, en particulier parce que la ductilité et le comportement fragile dépendent non seulement du matériau en question, mais également de la température (transition ductile-fragile) du matériau. L’effet de la température sur la nature de la fracture est d’une importance considérable. De nombreux aciers présentent une rupture ductile à des températures élevées et une rupture fragile à basse température . La température au-dessus de laquelle un matériau est ductile et en dessous de laquelle il est cassant est appelée température de transition ductile-fragile. (DBTT), température de ductilité nulle (NDT) ou température de transition de ductilité nulle. Cette température n’est pas précise mais varie en fonction des traitements mécaniques et thermiques préalables et de la nature et des quantités d’impuretés. Il peut être déterminé par une certaine forme de test de chute de poids (par exemple, les tests Charpy ou Izod).

La température de transition ductile-fragile (DBT) est la température à laquelle l’énergie de rupture passe en dessous d’une valeur prédéterminée (par exemple 40 J pour un essai de choc Charpy standard). La ductilité est une exigence essentielle pour les aciers utilisés dans la construction des composants du réacteur, tels que la cuve du réacteur. Par conséquent, le DBTT est important dans l’exploitation de ces navires. Dans ce cas, la taille du grain détermine les propriétés du métal. Par exemple, une taille de grain plus petite augmente la résistance à la traction, tend à augmenter la ductilité et entraîne une diminution du DBTT. Taille d’un grain est maîtrisée par le traitement thermique dans le cahier des charges et la fabrication des cuves des réacteurs. Le DBTT peut également être abaissé par de petites additions d’éléments d’alliage sélectionnés tels que le nickel et le manganèse aux aciers à faible teneur en carbone.

Typiquement, les aciers faiblement alliés de la cuve sous pression du réacteur sont des aciers ferritiques qui présentent le comportement classique de transition ductile à fragile avec une température décroissante. Cette température de transition est de la plus haute importance lors du réchauffement de l’installation.

Modes de défaillance:

• Région de faible ténacité: le principal mode de rupture est la rupture fragile (clivage transgranulaire). Dans la rupture fragile, aucune déformation plastique apparente n’a lieu avant la rupture. Les fissures se propagent rapidement.
• Région à haute ténacité : le principal mode de rupture est la rupture ductile (rupture par cisaillement). Dans la rupture ductile, une déformation plastique importante (rétrécissement) a lieu avant la rupture. La rupture ductile est meilleure que la rupture fragile, car il y a une propagation lente et une absorption d’une grande quantité d’énergie avant la rupture.

Dans certains matériaux, la transition est plus nette que d’autres et nécessite généralement un mécanisme de déformation sensible à la température. Par exemple, dans les matériaux avec un réseau cubique centré sur le corps (bcc), le DBTT est facilement apparent, car le mouvement des dislocations de vis est très sensible à la température car le réarrangement du noyau de dislocation avant le glissement nécessite une activation thermique. Cela peut être problématique pour les aciers à forte teneur en ferrite. Cela a entraîné de graves fissures dans la coque des navires Liberty dans les eaux plus froides pendant la Seconde Guerre mondiale, provoquant de nombreux naufrages. Les récipients étaient construits en un alliage d’acier qui possédait une ténacité adéquate selon les essais de traction à température ambiante. Les ruptures fragiles se sont produites à des températures ambiantes relativement basses, à environ 4°C (40°F), au voisinage de la température de transition de l’alliage. Il convient de noter que les métaux FCC à faible résistance (par exemple, les alliages de cuivre) et la plupart des HCP les métaux ne subissent pas de transition ductile à fragile et restent résistants même à des températures plus basses. D’autre part, de nombreux métaux à haute résistance (par exemple les aciers à très haute résistance) ne connaissent pas non plus de transition ductile à fragile, mais, dans ce cas, ils restent très fragiles.

Le DBTT peut également être influencé par des facteurs externes tels que le rayonnement neutronique, ce qui entraîne une augmentation des défauts du réseau interne et une diminution correspondante de la ductilité et une augmentation du DBTT.

Fragilisation par irradiation

Au cours de l’exploitation d’une centrale nucléaire, le matériau de la cuve sous pression du réacteur et le matériau des autres internes du réacteur sont exposés au rayonnement neutronique (en particulier aux neutrons rapides > 0,5 MeV), ce qui entraîne une fragilisation localisée de l’acier et des soudures dans le réacteur. zone du cœur du réacteur. Ce phénomène, connu sous le nom de fragilisation par irradiation, entraîne une augmentation constante du DBTT. Il est peu probable que le DBTT s’approche de la température de fonctionnement normale de l’acier. Cependant, il est possible que lors de l’arrêt du réacteur ou lors d’un refroidissement anormal, la température tombe en dessous de la valeur DBTT alors que la pression interne est encore élevée. Par conséquent, les autorités de réglementation nucléaire exigent qu’un programme de surveillance des matériaux de la cuve du réacteur soit mené dans les réacteurs de puissance refroidis à l’eau.

Voir aussi: Réflecteur de neutrons

La fragilisation par irradiation peut entraîner une perte de résistance à la rupture. Typiquement, les aciers faiblement alliés de la cuve sous pression du réacteur sont des aciers ferritiques qui présentent le comportement classique de transition ductile à fragile avec une température décroissante. Cette température de transition est de la plus haute importance lors du réchauffement de l’installation.

Modes de défaillance:

• Région de faible ténacité: le principal mode de rupture est la rupture fragile (clivage transgranulaire). Dans la rupture fragile, aucune déformation plastique apparente n’a lieu avant la rupture. Les fissures se propagent rapidement.
• Région à haute ténacité: le principal mode de rupture est la rupture ductile (rupture par cisaillement). Dans la rupture ductile, une déformation plastique importante (rétrécissement) a lieu avant la rupture. La rupture ductile est meilleure que la rupture fragile, car il y a une propagation lente et une absorption d’une grande quantité d’énergie avant la rupture.

L’irradiation neutronique tend à augmenter la température (température de transition ductile-fragile) à laquelle cette transition se produit et tend à diminuer la ténacité ductile.

Fissuration par corrosion

L’un des problèmes métallurgiques les plus graves et une préoccupation majeure dans l’industrie nucléaire est la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC). La fissuration par corrosion sous contrainte résulte de l’ action combinée d’une contrainte de traction appliquée et d’un environnement corrosif, les deux influences sont nécessaires. La SCC est un type de corrosion par attaque intergranulaire qui se produit aux joints de grains sous contrainte de traction. Il a tendance à se propager lorsque la contrainte ouvre des fissures sujettes à la corrosion, qui sont ensuite corrodées davantage, affaiblissant le métal en se fissurant davantage. Les fissures peuvent suivre des chemins intergranulaires ou transgranulaires, et il y a souvent une tendance à la ramification des fissures. Le comportement à la rupture est caractéristique de celui d’un matériau fragile, même si l’alliage métallique est intrinsèquement ductile. Le SCC peut entraîner une défaillance soudaine et inattendue d’alliages métalliques normalement ductiles soumis à une contrainte de traction, en particulier à température élevée. Le SCC est chimiquement très spécifique en ce sens que certains alliages sont susceptibles de subir un SCC uniquement lorsqu’ils sont exposés à un petit nombre d’environnements chimiques.

Les moyens les plus efficaces de prévenir le SCC dans les systèmes de réacteur sont:

• concevoir correctement
• réduire le stress
• éliminer les espèces environnementales critiques telles que les hydroxydes, les chlorures et l’oxygène
• éviter les zones stagnantes et les crevasses dans les échangeurs de chaleur où le chlorure et l’hydroxyde pourraient se concentrer.

La fissuration par corrosion sous contrainte peut provoquer, par exemple, une défaillance de la barre de combustible nucléaire après des changements de puissance inappropriés, un mouvement de la barre et le démarrage de la centrale. Certains aciers inoxydables austénitiques et alliages d’aluminium se fissurent en présence de chlorures et l’acier doux se fissure en présence d’alcali (fissuration à la chaudière). Les aciers faiblement alliés sont moins sensibles que les aciers fortement alliés, mais ils sont sujets au SCC dans l’eau contenant des ions chlorure. Les alliages à base de nickel, cependant, ne sont pas affectés par les ions chlorure ou hydroxyde. Un exemple d’alliage à base de nickel résistant à la fissuration par corrosion sous contrainte est l’inconel.

Référence spéciale: US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.

La fissuration par corrosion sous contrainte en tant que mécanisme de défaillance du combustible

La gaine empêche les produits de fission radioactifs de s’échapper de la matrice combustible dans le caloporteur du réacteur et de le contaminer. Il existe diverses causes profondes de panne de carburant, qui ont été identifiées dans le passé. Aux premières dates d’exploitation des REP et des REB, ces causes étaient principalement des défauts de fabrication ou des frottements. L’une des causes possibles est également l’interaction pastille-gaine (PCI), qui peut être causée par une fissuration par corrosion sous contrainte. La fissuration par corrosion sous contrainte peut provoquer, par exemple, une défaillance de la barre de combustible nucléaire après des changements de puissance inappropriés, un mouvement de la barre et le démarrage de la centrale.

Dans les conditions de fonctionnement nominales, la température des pellets est d’environ 1 000 °C au centre, 400 à 500 °C à la périphérie. En cas d’augmentation importante de puissance, la température au centre des pastilles augmente fortement (> 1 500 °C, voire > 2 000 °C). Dans ce cas, une différence de dilatations thermiques entre la gaine combustible et les pastilles combustibles provoque une augmentation des contraintes dans la gaine combustible. La défaillance du combustible PCI est causée par une fissuration par corrosion sous contrainte sur la surface intérieure de la gaine, qui résulte des effets combinés de l’expansion des pastilles de combustible (en particulier au niveau des fissures radiales des pastilles et de la présence d’un environnement agressif de produits de fission (en particulier l’iode gazeux). Une telle défaillance se produit, expérimentalement, après un temps de maintien d’une à quelques minutes, à des niveaux de puissance élevés et soutenus.

Référence spéciale: CEA, Direction de l’énergie nucléaire. Combustibles nucléaires, ISBN 978-2-281-11345-7

Fragilisation par l’hydrogène

La fragilisation par l’hydrogène est l’une des nombreuses formes de fissuration par corrosion sous contrainte. La fragilisation par l’hydrogène résulte de l’action combinée d’une contrainte de traction appliquée et d’un environnement hydrogène corrosif, les deux influences sont nécessaires. Dans ce cas, l’agent corrosif est l’hydrogène sous sa forme atomique (H par opposition à la forme moléculaire, H ₂ ), qui diffuse de manière interstitielle à travers le réseau cristallin, et des concentrations aussi faibles que plusieurs parties par million peuvent entraîner des fissures. Bien que la fragilisation des matériaux prenne de nombreuses formes, la fragilisation par l’hydrogène dans les aciers à haute résistance a l’effet le plus dévastateur en raison de la nature catastrophique des ruptures lorsqu’elles se produisent. La fragilisation par l’hydrogène est le processus par lequel l’acier perd sa ductilité et sa résistance en raison de minuscules fissures résultant de la pression interne de l’hydrogène (H₂), qui se forme aux joints de grains. Dans le cas des aciers, l’hydrogène diffuse ensuite le long des joints de grains et se combine avec le carbone pour former du gaz méthane. Le gaz méthane s’accumule dans de petits vides le long des joints de grains, où il accumule d’énormes pressions qui déclenchent des fissures et diminuent la ductilité de l’acier. Si le métal est soumis à une contrainte de traction élevée, une rupture fragile peut se produire.

C’est un processus complexe qui n’est pas complètement compris en raison de la variété et de la complexité des mécanismes qui peuvent conduire à la fragilisation. Un certain nombre de mécanismes ont été proposés pour expliquer la fragilisation par l’hydrogène. Les mécanismes qui ont été proposés pour expliquer la fragilisation comprennent la formation d’hydrures fragiles, la création de vides pouvant conduire à des bulles et à l’accumulation de pression dans un matériau. L’hydrogène est introduit à la surface d’un métal et des atomes d’hydrogène individuels diffusent à travers la structure métallique. Étant donné que la solubilité de l’hydrogène augmente à des températures plus élevées, l’augmentation de la température peut augmenter la diffusion de l’hydrogène.

Pour que la fragilisation par l’hydrogène se produise, une combinaison de trois conditions est requise:

• la présence et la diffusion d’hydrogène
• un matériau sensible
• stress

Dans les alliages de zirconium, la fragilisation par l’hydrogène est causée par l’hydruration du zirconium. Dans les réacteurs nucléaires, le terme «fragilisation par l’hydrogène» fait généralement référence à la fragilisation des alliages de zirconium provoquée par l’hydruration du zirconium.

Référence spéciale: US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.

Fragilisation par l’hydrogène des alliages 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. Il existe diverses causes profondes de panne de carburant, qui ont été identifiées dans le passé. Aux premières dates d’exploitation des REP et des REB, ces causes étaient principalement des défauts de fabrication ou des frottements. Une des causes possibles est également:

• Hydratation interne. L’inclusion par inadvertance de matériaux contenant de l’hydrogène à l’intérieur d’une barre de combustible peut entraîner une hydruration et donc une fragilisation de la gaine de combustible. Les sources d’hydrogène étaient principalement l’humidité résiduelle ou la contamination organique dans les pastilles/barres de combustible. Cette cause de défaillance a été pratiquement éliminée grâce à une fabrication améliorée.
• Fissuration retardée par les hydrures (DHC). La fissuration retardée par les hydrures est l’initiation et la propagation des fissures en fonction du temps à travers la fracture des hydrures qui peuvent se former en avant de la pointe de la fissure. Ce type de défaillance peut être initié par de longues fissures à la surface extérieure du revêtement, qui peuvent se propager dans une direction axiale/radiale. Ce mécanisme de défaillance peut potentiellement limiter le fonctionnement à taux de combustion élevé.

L’agent agressif à cet égard est l’eau du circuit primaire, à une température d’environ 300°C. Celle-ci oxyde le zirconium selon la réaction:

Zr + 2H₂O→ZrO₂ + 2H₂

entraînant la formation d’oxyde solide à la surface du métal.

Une partie de l’hydrogène produit par la corrosion du zirconium dans l’eau se combine avec le zirconium pour former une phase séparée de plaquettes d’hydrure de zirconium (ZrH1.5). L’hydrogène migre sous l’effet du gradient thermique pour s’accumuler dans les régions les moins chaudes, formant des hydrures susceptibles de fragiliser la gaine, lors du refroidissement du combustible. Le métal se fragilise alors (la ductilité diminue) et se casse facilement. Des fissures commencent à se former dans les plaquettes d’hydrure de zirconium et se propagent à travers le métal.

La fragilisation par l’hydrogène est également d’une très grande importance pour l’oxydation à la vapeur à haute température des alliages de zirconium.

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. Gonzalez-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 au dessus:

Propriétés des matériaux