Qu’est-ce que la résistance à la rupture – Point de rupture – Définition

Un diagramme schématique de la courbe contrainte-déformation de l’acier à faible teneur en carbone à température ambiante est présenté dans la figure. Il existe plusieurs étapes montrant des comportements différents, ce qui suggère des propriétés mécaniques différentes. Pour clarifier, les matériaux peuvent manquer une ou plusieurs étapes indiquées sur la figure, ou avoir des étapes totalement différentes. Dans ce cas, nous devons faire la distinction entre les caractéristiques de contrainte-déformation des matériaux ductiles et fragiles. Les points suivants décrivent les différentes régions de la courbe contrainte-déformation et l’importance de plusieurs emplacements spécifiques.

Point de rupture

Le point de rupture est le point de déformation où le matériau se sépare physiquement. À ce stade, 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 stade. 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.

Dans de nombreuses situations, la limite d’élasticité est utilisée pour identifier la contrainte admissible à laquelle un matériau peut être soumis. Pour les composants devant résister à des pressions élevées, comme ceux utilisés dans les réacteurs à eau sous pression (REP), ce critère n’est pas suffisant. Pour couvrir ces situations, la théorie de la contrainte de cisaillement maximale de rupture a été incorporée dans le code ASME (The American Society of Mechanical Engineers) Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Rules for Construction of Nuclear Pressure Vessels. Cette théorie stipule que la défaillance d’un composant de tuyauterie se produit lorsque la contrainte de cisaillement maximale dépasse la contrainte de cisaillement au point d’élasticité lors d’un essai de traction.

Fracture fragile vs ductile

Dans l’essai de traction, le point de rupture est le point de déformation où le matériau se sépare physiquement. À ce stade, 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 stade. 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. En rupture ductile, une déformation plastique importante (striction) a lieu avant la rupture. La 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.

• 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. Dans la 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 des fissures, en réponse à un stress imposé. 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,
  • Défaut tel qu’une fissure
  • Contrainte suffisante pour développer une petite déformation en pointe de fissure
  • Température égale ou inférieure au DBTT

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.
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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.
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