Rupture fragile et rupture ductile : définition, mécanisme, différences

La fracture peut être définie comme la séparation du matériau en deux ou plusieurs parties. La défaillance matérielle peut impliquer l’un ou l’autre des deux mécanismes ; rupture ductile ou rupture fragile. Les deux mécanismes de rupture du métal sont distincts et différents l’un de l’autre. Dans cet article, nous allons explorer en détail ces deux mécanismes de défaillance.

Qu’est-ce qu’une fracture fragile ou une faille fragile?

La rupture fragile est la rupture soudaine et rapide du métal dans laquelle le matériau présente peu ou pas de contrainte plastique. Ceci est caractérisé par une défaillance rapide sans préavis. Les fissures générées se propagent rapidement et le matériau s’effondre brutalement.

La rupture fragile est une condition qui se produit lorsqu’un matériau est soumis à des températures qui le rendent moins résistant et donc plus fragile. La possibilité que le matériau devienne cassant dépend du type de matériau qui est soumis à ces basses températures. Certains matériaux, tels que les aciers au carbone et faiblement alliés, deviendront cassants à basse température et seront donc susceptibles de subir des dommages allant de la fissuration à la rupture de l’équipement ou à la désintégration.

Lorsqu’un matériau devient cassant, les conséquences peuvent être très graves. Si le matériau fragile est soumis à un impact ou à un choc équivalent (par exemple une pressurisation rapide), la combinaison pourrait potentiellement conduire à une défaillance catastrophique dans certaines conditions.

Qu’est-ce que la rupture ductile ou la rupture ductile ?

La rupture ductile est la rupture du matériau qui présente une déformation plastique substantielle avant la rupture. Le processus de rupture ductile est lent et donne un avertissement suffisant avant la séparation finale. Normalement, une grande partie de l’écoulement plastique est concentrée près des faces de fracture.

La rupture ductile se produit sur une période de temps et se produit normalement après la limite d’élasticité, tandis que la rupture fragile est rapide et peut se produire à des niveaux de contrainte inférieurs à la rupture ductile. C’est pourquoi la fracture ductile est considérée comme meilleure que la fracture fragile. Voir la figure 1 ci-dessous qui explique les deux mécanismes de fracture. L’aire sous la courbe contrainte-déformation représente l’énergie absorbée avant rupture. De toute évidence, l’énergie requise dans la rupture fragile est bien inférieure à la rupture ductile.

Mécanisme de rupture fragile

Le mécanisme de fracture fragile illustré ci-dessus est connu sous le nom de fracture de division fragile. Cela se produit dans les métaux avec un taux d’écrouissage élevé et une résistance à la rupture relativement faible.

Les matériaux ductiles dans certaines conditions peuvent devenir cassants si les conditions sont modifiées. Une telle condition est l’effet de la température. De nombreux matériaux industriels présentent une rupture ductile à température ambiante et à des températures élevées et une rupture fragile à basse température. La température de transition en dessous de laquelle un matériau est cassant et au-dessus de laquelle il est ductile est appelée température de transition à ductilité nulle (CND). Cette température n’est pas constante, mais varie en fonction du traitement mécanique et thermique précédent et de la nature et des quantités des éléments d’impuretés. Il est déterminé par les tests d’impact Izod ou Charpy. À une température supérieure à la température NDT, une certaine déformation plastique se produira avant la rupture.

Avec une augmentation de la ductilité, le CND diminue. C’est pourquoi l’augmentation de la ductilité est toujours préférée. Les paramètres qui impactent la ductilité sont :

  • Taille des grains – Les petites tailles de grains augmentent la ductilité et la taille des grains est contrôlée par traitement thermique.
  • Élément d’alliage : l’ajout d’éléments d’alliage peut diminuer la taille des grains et donc diminuer la fragilité, déplaçant le CND à une température plus basse.

Les contraintes cycliques pour les matériaux fragiles doivent être évitées. Par conséquent, les systèmes qui ont des cycles thermiques et de pression ne doivent pas être conçus avec des matériaux fragiles.

Causes de fracture fragile

La principale préoccupation avec une rupture fragile ou une rupture fragile est que, dans certaines conditions, la rupture se produit à des contraintes bien inférieures à la limite élastique. De telles conditions sont la présence d’un défaut ou d’une fissure. Les fractures fragiles sont généralement initiées par des défauts présents dans le produit manufacturé ou la structure fabriquée ou par des défauts qui se développent pendant le service. Ce sont essentiellement des concentrateurs de stress et peuvent prendre la forme de.

  • Encoches : discontinuités provoquées par des changements brusques de direction d’une surface libre, souvent initiateurs de fractures. Exemple : congés tranchants, coins, trous, filetages, cannelures, rainures de clavette, bosses, rainures ou rayures.
  • Rabats, plis, écailles, grosses inclusions, éclats de forge, laminages et stries indésirables.
  • Ségrégation, inclusions, microstructures indésirables, porosités, cassures, fissures ou discontinuités de surface introduites lors des opérations de fusion, de désoxydation, d’affinage des grains et de fusion.
  • Fissures résultant de l’usinage, de la trempe, de la fatigue, de la fragilisation par l’hydrogène, la fragilisation du métal liquide ou la fissuration par corrosion sous contrainte.
  • Des contraintes résiduelles.

La rupture fragile se produit normalement en raison de la propagation de telles fissures à grande vitesse. Une taille de grain plus petite, une température plus élevée et une contrainte plus faible ont tendance à atténuer l’initiation des fissures. En revanche, la granulométrie plus importante, les températures plus basses et les contraintes plus élevées favorisent la propagation des fissures. Il existe un niveau de contrainte connu sous le nom de contrainte de propagation de fracture la plus faible en dessous duquel une fissure ne se propagera à aucune température. Avec l’augmentation de la température, une contrainte plus élevée est nécessaire pour qu’une fissure se propage. Une courbe d’arrêt de fissure définit la relation entre la température et la contrainte requise pour qu’une fissure se propage.

Ténacité à la rupture

La quantité de contrainte requise pour propager une fissure préexistante est indiquée par la résistance à la rupture qui dépend de plusieurs facteurs mentionnés ci-dessous :

  • Composition du métal
  • Température du métal
  • L’étendue des déformations de la structure cristalline.
  • Granulométrie du métal
  • Forme cristalline du métal
  • Taille par défaut

Voir la figure 2 ci-dessous qui représente les courbes d’initiation de la rupture de l’acier pour différentes tailles de rupture à différentes contraintes et températures.

D’après la courbe ci-dessus, il est évident que pour éviter une rupture fragile, la température de fonctionnement doit être maintenue au-dessus de la température CND. Maintenir la température de fonctionnement au-dessus de la température FTE (NDT + 60 ° F pour l’acier) assurera une plus grande sécurité.

La théorie de Griffith de la rupture fragile

Considérons une plaque mince de longueur l qui a une fissure traversante de longueur 2c, comme le montre la figure 3. La courbe ci-dessus montre la courbe force-déformation pour une fissure sans extension de longueur 2c. Pour une fissure non extensible de longueur 2 (c + c), la courbe sera la courbe inférieure. L’aire entre ces deux courbes représente l’énergie libérée pour étendre la fissure de 2c à 2 (c + Δc).

Mécanisme de rupture ductile

La rupture ductile ou la rupture ductile (Fig. 4) se produit normalement en suivant les étapes mentionnées ci-dessous :

(a) Rétrécissement
(b) Formation de micro-vides
(c) Coalescence de micro-vides pour former une fissure
(d) Propagation de la fissure par déformation de cisaillement
(e) Fracture

Rupture fragile vs rupture ductile

D’après les discussions ci-dessus, il est clair que les mécanismes de rupture fragile et de rupture ductile sont complètement différents. Les principales différences entre la rupture fragile et la rupture ductile sont présentées ci-dessous :

Fracture fragile / Défaillance fragileFracture ductile / Rupture ductile
Déformation plastique négligeableDéformation plastique considérable.
Pannes rapides et rapides sans préavisProcessus lent avec suffisamment de mises en garde.
Propagation rapide des fissuresPropagation lente des fissures
Une rupture fragile peut se produire en dessous de la limite élastiqueLa rupture ductile se produit normalement au-dessus de la limite élastique.
En cas de rupture fragile, la propagation de la fissure est perpendiculaire à la contrainte appliquée. La propagation des fissures est de 45 degrés par rapport à la contrainte appliquée.
Défaut de décolletéDéfaillance du cône de coupe
Besoin d’énergie plus faible pour tomber en panneL’énergie nécessaire pour échouer est considérablement élevée
Peut être cassé en plusieurs morceauxBrisé en deux morceaux