Qu’est-ce que l’échec du fluage et les étapes du fluage – www.materialwelding.com

Qu’est-ce que le fluage

C’est un mécanisme de défaillance qui peut se produire dans un matériau exposé pendant une période 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, une rupture de fluage se produit au niveau des joints des grains pour donner une fracture intergranulaire. La figure 1 montre les vides qui se forment sur les joints des grains au début du fluage.

Types de défaillances de fluage

Il existe plusieurs types de défaillances de fluage qui peuvent être caractérisées comme suit:

Défaillance 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 limites des grains, qui se lient ensuite pour former des fissures / fissures aux limites des 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 perlite des aciers au carbone se dégraderont thermiquement en carbure de fer sphéroïdisé à la suite d’une surchauffe à long terme. La décomposition continue dans les aciers au carbone ordinaire peut entraîner une dégradation totale en graphite plus ferrite. Cette dégradation peut également être détectée par métallographie de réplication.

Fracture de fluage transgranulaire

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

Rupture ponctuelle

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

Les ajouts de chrome et de molybdène dans les aciers peuvent augmenter la durée de fluage. Le nettoyage mécanique ou chimique est généralement utilisé pour éliminer l’accumulation de dépôts dans les tubes de la 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 défaillance par fluage.

Étapes de rupture de fluage dans les matériaux

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

1. Fluage primaire: une augmentation rapide de la longueur où le taux de fluage diminue à mesure que le travail du métal durcit.
2. Fluage secondaire (à l’état d’équilibre): c’est une période de taux de fluage presque constant et c’est la période qui constitue la majeure partie de la durée de fluage d’un composant.

3. Fluage tertiaire: Il se produit lorsque la durée de fluage est presque épuisée, que des vides se sont formés dans le matériau et que la section efficace a été réduite. Le taux de fluage s’accélère à mesure que la contrainte par unité de surface augmente jusqu’à ce que l’échantillon échoue finalement.

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

Mécanisme de rupture 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 vers le temps. Le poids ou la charge sur l’échantillon est maintenu constant pendant toute la durée de l’essai. Il y a quatre parties de la courbe qui sont intéressantes:

• Une pente initiale qui est au moins en partie d’origine élastique, du point “0” au point “A” de la figure 3 ci-dessus.
• Ceci est suivi d’une région dans laquelle le taux d’allongement ou de déformation diminue avec le temps, le fluage dit transitoire ou primaire, de la région “A” à “B” de la Figure ci-dessus. La partie 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 le taux de fluage est presque constant. La portion de “B” à “C” est presque linéaire et prévisible. Selon la charge ou le stress, le temps peut être très long; deux ans dans un test et plusieurs décennies en service.
• La quatrième partie de la courbe de fluage, au-delà du taux de fluage constant ou de la région linéaire, montre un taux de fluage en augmentation rapide qui aboutit à une défaillance. Même dans des conditions d’essai à charge constante, la contrainte effective peut effectivement augmenter en raison des dommages qui se forment dans la microstructure.

Caractéristiques des défaillances de fluage

Les défaillances 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 l’autre des échelles d’oxyde ID et OD ou les deux.
• épaisseurs d’oxydes externes ou internes qui suggèrent des températures plus élevées que prévu.
• vides et fissures intergranulaires dans la microstructure

Température de fluage initiale des matériaux

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

Défaillance par fluage par rapport à Défaillance par fatigue

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