Qu’est-ce que la rupture de fluage et les étapes de fluage

Qu’est-ce que le fluage

C’est un mécanisme de rupture qui peut se produire dans un matériau exposé pendant une durée prolongée à une charge inférieure à sa limite élastique (limite d’élasticité), le matériau augmentant en longueur dans le sens de la contrainte appliquée. Le taux de déformation augmente avec l’augmentation de la température, il est donc important de connaître la vitesse de déformation à une charge et à une température données si les composants doivent être conçus en toute sécurité pour un service à haute température. A cet effet, des alliages résistants au fluage sont développés. Tous les métaux et alliages sont affectés par le fluage.

Dans les métaux, la rupture par fluage se produit aux joints de grains pour donner une fracture intergranulaire. La figure 1 montre les vides qui se forment sur les joints de grains au début du fluage.

Figure 1. Vides de fluage

Types de défaillances de fluage

Il existe plusieurs types de rupture par fluage qui peuvent être caractérisés comme suit :

Rupture de fluage intergranulaire

Cela se produit après une exposition prolongée à la température et au stress. Les premiers stades du fluage à long terme se manifestent par des vides aux joints de grains, ceux-ci se lient ensuite pour former des fissures/fissures aux joints de grains. En conséquence, il y a peu de réduction de la section transversale et une fracture à paroi épaisse se produit. La métallographie de réplication non destructive est un moyen efficace de déterminer la présence de dommages de fluage à long terme.

De plus, les plaquettes de carbure de fer dans la structure de perlite des aciers au carbone se dégraderont thermiquement en carbure de fer sphéroïdal en raison d’une surchauffe à long terme. La décomposition continue des aciers au carbone ordinaires peut entraîner une dégradation totale en graphite et ferrite. Cette dégradation peut également être détectée en utilisant la métallographie de réplication.

Fracture par fluage transgranulaire

Ce type de rupture peut se produire lors de ruptures de fluage de courte durée. La ductilité et la réduction de surface sont généralement importantes et beaucoup plus importantes qu’à température ambiante, produisant une fracture bombée à paroi mince.

Fracture par rupture ponctuelle

À des températures suffisamment élevées et à de faibles contraintes, la recristallisation pendant le fluage peut éliminer les dommages microstructuraux dus au fluage. En conséquence, les vides ne se nucléent pas et un rétrécissement jusqu’à un point peut se produire.

Les ajouts de chrome et de molybdène dans les aciers peuvent augmenter la durée de vie au fluage. Le nettoyage mécanique ou chimique est généralement utilisé pour éliminer l’accumulation de dépôts dans les tubes de chaudière, ce qui réduit le risque de points chauds locaux. Un programme d’inspection approprié qui comprend la surveillance de la perte d’épaisseur de paroi, de la dégradation microstructurale et des dommages par fluage est également un moyen efficace de réduire la probabilité de rupture par fluage.

Étapes de rupture de fluage dans les matériaux

La rupture par fluage se produit en trois phases différentes dans les matériaux lorsqu’ils sont soumis à leur température de fluage. Dans ces stades de fluage, le matériau perd progressivement sa solidité et forme des vides de fluage. Ces vides de fluage sous une charge supplémentaire se propageront dans les fissures induites par le fluage.

  1. Fluage primaire : augmentation rapide de la longueur où la vitesse de fluage diminue au fur et à mesure que le métal durcit.
  2. Fluage secondaire (état d’équilibre) : c’est une période de vitesse de fluage presque constante et c’est la période qui constitue l’essentiel de la durée de vie en fluage d’un composant.

3. Fluage tertiaire : Il se produit lorsque la durée de vie du fluage est presque épuisée, que des vides se sont formés dans le matériau et que la section efficace a été réduite. La vitesse de fluage s’accélère à mesure que la contrainte par unité de surface augmente jusqu’à ce que l’éprouvette finisse par rompre.

Les différentes étapes de fluage et leurs conditions matérielles respectives sont illustrées dans la figure 2 ci-dessous.

Étapes de rupture de fluage
Figure 2. Courbe de fluage

Mécanisme de défaillance de fluage

À des températures et des contraintes élevées, bien inférieures à la limite d’élasticité à haute température, les métaux subissent une déformation plastique permanente appelée fluage. la figure 3 montre une courbe de fluage schématique pour une charge constante ; un graphique du changement de longueur en fonction du temps. Le poids ou la charge sur l’éprouvette est maintenu constant pendant toute la durée de l’essai. Il y a quatre portions de la courbe qui sont intéressantes :

Figure 3 Courbe de fluage schématique
  • Un taux initial raide qui est au moins en partie d’origine élastique, du point « 0 » au point « A » dans la figure 3 ci-dessus.
     
  • Ceci est suivi d’une région dans laquelle le taux d’allongement ou de déformation diminue avec le temps, ce que l’on appelle le fluage transitoire ou primaire, de la région “A” à “B” de la figure ci-dessus. La portion du point « 0 » au point « B » se produit assez rapidement.
     
  • La partie suivante de la courbe de fluage est la zone d’intérêt technique, où la vitesse de fluage est presque constante. La portion de « B » à « C » est presque linéaire et prévisible. Selon la charge ou la contrainte, le temps peut être très long ; deux ans en test et plusieurs décennies en service.
     
  • La quatrième partie de la courbe de fluage, au-delà de la vitesse de fluage constant ou de la région linéaire, montre une vitesse de fluage qui augmente rapidement et qui aboutit à la rupture. Même dans des conditions d’essai à charge constante, la contrainte effective peut en fait augmenter en raison des dommages qui se forment dans la microstructure.

Caractéristiques des ruptures de fluage

Les ruptures de fluage sont caractérisées par :

  • renflement ou cloques dans le tube.
  • fractures à bords épais souvent avec très peu de ductilité évidente.
  • « fissures de contrainte » longitudinales dans l’une ou les deux échelles d’oxyde ID et OD.
  • des épaisseurs d’écailles d’oxyde externes ou internes qui suggèrent des températures plus élevées que prévu.
  • vides intergranulaires et fissures dans la microstructure

Température de fluage initiale des matériaux

La température de fluage initiale de l’acier au carbone, C-0,5Mo, 1,25Cr-0,5Mo, 2,25Cr-1Mo et de l’acier inoxydable est indiquée dans le tableau ci-dessous.

Acier Carbone…………………..800 o F
Carbone + 1/2 Molybdène…………850 o F
1-1/4 Chrome-1/2 Molybdène……950 o F
2-1 /4 Chrome-1 Molybdène…….1000 o F
Acier inoxydable………………..1050 o F

Rupture de fluage vs défaillance de fatigue

La fatigue est une situation dans laquelle le composant est soumis à un chargement cyclique. La contrainte de conception qui est la résistance d’endurance utilisée dans le chargement de fatigue est bien inférieure à la limite d’élasticité et à la résistance ultime du matériau. 90 pour cent des composants de la machine tombent en panne en raison de la fatigue. Par exemple, il est difficile de casser un fil en l’étirant, mais si nous appliquons une charge cyclique et que nous plions et déplions le fil plusieurs fois, il se casse facilement.
Le fluage est une situation dans laquelle un composant subit une déformation sous une charge constante au cours du temps lors de sa mise en service. Le meilleur exemple pour illustrer cela est que les câbles électriques sont tendus (serrés) lorsqu’ils sont installés, mais après un certain temps, ils s’affaissent en raison de leur propre poids.