Qu’est-ce que la fracture fragile et types de fracture fragile

Qu’est-ce que la fracture fragile ?

La rupture fragile  est la fissuration soudaine et très rapide d’un matériau ou d’un équipement sous contrainte où le matériau a montré peu ou pas de signe de ductilité ou de dégradation plastique avant que la rupture ne se produise. Contrairement à d’autres conditions de rupture par traction, où le matériau se déforme plastiquement dans des conditions de charge et devient plus mince (rétrécissement) jusqu’au point de rupture, lorsqu’un matériau subit une rupture fragile, il n’y a pas d’amincissement ou de rétrécissement dans le matériau (peu ou pas de déformation plastique ). Au contraire, ce mécanisme d’endommagement provoque souvent des fissures sans avertissement, fracturant parfois l’équipement en plusieurs morceaux. Dans un test d’impact Charpy, le métal fragile absorbera une petite quantité d’énergie lors du test d’impact, un métal ductile dur une grande quantité d’énergie.

Mécanisme de rupture fragile

La rupture fragile est souvent causée par les basses températures dans les matériaux ferritiques et martensitiques, tandis que les matériaux austénitiques présentent un comportement ductile même à basse température. Si la température du matériau ou supposons que l’acier est égal ou inférieur à sa température de transition fragile à ductile, il sera alors très sensible à la rupture fragile. Combinez cette condition avec un défaut de taille importante et une contrainte élevée sur ce défaut (appliqué ou résiduel), et il est susceptible de faire face à une fracture fragile.

Facteurs affectant la rupture fragile dans un matériau

Voici les facteurs qui peuvent augmenter la susceptibilité à la rupture fragile :

Dégradation métallurgique

La dégradation métallurgique peut se produire dans certains aciers à des températures plus élevées et peut inclure des éléments tels que la fragilisation par revenu, la  graphitisation , la fragilisation en phase sigma et la fragilisation à 885°F ou 475°C .

Propreté des matériaux et structure du grain

Dans le cas de l’acier, les grosses granulométries et les contaminants de l’acier peuvent réduire la ténacité de l’acier, rendant ainsi le matériau plus cassant. L’ajout d’éléments d’alliage pouvant affecter ses propriétés microstructurales peut rendre le matériau fragile.

Épaisseur de matériau élevée

En ce qui concerne l’épaisseur du matériau, les composants plus épais ont un degré plus élevé de susceptibilité à la rupture fragile car ils ont des contraintes triaxiales plus élevées. De plus, des matériaux plus épais produisent un état de contrainte plus élevé et sont donc moins susceptibles de se déformer sous contrainte par opposition à l’initiation et à la propagation des fissures.

Contraintes résiduelles élevées

La rupture fragile est plus probable en présence de contraintes résiduelles élevées ou si la structure est fortement chargée, en particulier sous une vitesse de déformation élevée (charge d’impact). Les concentrations de contraintes (provenant des pieds de soudure, du changement de section, des encoches) et des défauts de soudure (tels que des fissures ou un manque de fusion) peuvent avoir un effet majeur sur la probabilité de rupture fragile.

Basse température

La transition ductile à fragile dans les aciers à basse température détermine si une rupture sera ductile ou fragile. À basse température, le matériau a une ténacité à la rupture plus faible et est plus sujet à la rupture fragile. Une faible ténacité est plus probable dans les matériaux à structure cristalline qui sont des aciers ferritiques cubiques à corps centré (bcc) car ils présentent une transition de ténacité, par rapport à ceux à structure cristalline cubique à face centrée (fcc), tels que l’acier inoxydable austénitique ou l’aluminium qui ne pas montrer une transition marquée entre le comportement ductile et cassant. Une faible ténacité peut résulter de la microstructure de l’acier, car une granulométrie fine a une ténacité élevée tandis que la martensite ou la ZAC à gros grains ont une faible ténacité.L’épaisseur du matériau a également un effet sur la ténacité à la rupture avec un matériau épais ayant une ténacité effective inférieure à celle d’une plaque plus mince fabriquée à partir du même matériau.

Apparence de fracture fragile

La caractéristique de la rupture fragile est qu’il y a peu ou pas de déformation plastique avant la rupture. La surface de fracture peut présenter des marques en chevron ou des lignes de rivière pointant vers le point d’initiation de la fracture. Avec une rupture fragile par impact, la surface est rugueuse mais pas déchirée et aura parfois un aspect cristallin (en particulier sous une charge à vitesse de déformation élevée, par exemple dans un échantillon Charpy).

Types de fracture fragile

Il existe deux grands types de fractures fragiles :

  1. transgranulaire et
  2. intergranulaire.

Avec les fractures transgranulaires, la fracture se déplace à travers le grain du matériau. Il change de direction d’un grain à l’autre en raison de l’orientation différente du réseau des atomes dans chaque grain, suivant le chemin de moindre résistance.

La fracture fragile intergranulaire , quant à elle, se produit lorsqu’une fissure se déplace le long des joints de grains, plutôt qu’à travers les grains eux-mêmes. La fracture intergranulaire se produit généralement lorsque la phase dans le joint de grain est faible et cassante.

Afin de réduire le risque de rupture fragile, il faut s’assurer que les matériaux fonctionnent à ou au-dessus de leur température de transition fragile à ductile pendant le service et les essais. De même, lors de la réalisation de réparations, prendre des mesures pour établir et trouver des défauts qui pourraient affaiblir le matériau en service ou pendant les tests de pression réduira les risques de rupture fragile.

fracture fragile vs fracture ductile

La rupture fragile désigne la rupture d’un matériau sans déformation plastique ou avec une très faible déformation plastique avant rupture. La roche, le béton, le verre et la fonte ont tous une telle propriété, ils sont donc appelés matériaux cassants. La rupture ductile signifie la rupture d’un matériau avec une grande déformation plastique avant rupture. La rupture de l’acier doux et d’autres métaux mous, du caoutchouc et des plastiques est une rupture ductile.