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Article

1 - ENJEUX, CONCEPTS DE BASE ET RAPPELS DE TERMINOLOGIE

2 - NOTIONS PRINCIPALES EN SCIENCE DES MATÉRIAUX

3 - MÉCANISMES DE DÉFAILLANCE PAR TYPES DE RUPTURE

4 - MÉCANISMES DE DÉFAILLANCE PAR CORROSION

5 - MÉCANISMES D’USURE PAR CONTACT ET FROTTEMENT

6 - MÉCANISMES DE DÉFAILLANCE PAR VIEILLISSEMENT

7 - TYPOLOGIES DES MÉTHODES DE DIAGNOSTIC

8 - EXEMPLES INDUSTRIELS DE DIAGNOSTICS DES MÉCANISMES DE DÉFAILLANCE

9 - CONCLUSION

10 -  GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : MT9132 v1

Conclusion
Les principaux mécanismes de défaillance pour le diagnostic en maintenance

Auteur(s) : Gilles ZWINGELSTEIN

Date de publication : 10 avr. 2020

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RÉSUMÉ

Cet article présente les principaux mécanismes de défaillance des matériaux utilisés dans les équipements techniques et dont la maîtrise est indispensable pour réaliser le diagnostic des pannes. Après un rappel des enjeux et de terminologie, les caractéristiques physico-chimiques des principaux matériaux sont succinctement décrites. Puis, un inventaire des principaux mécanismes de rupture, de fatigue, d’usure, et de vieillissement suivi d’une présentation des méthodes de diagnostic sont proposés. Des exemples industriels (batteries au lithium, éoliennes, Comet et Airbus A380) illustrent la complexité du diagnostic. La conclusion donne des recommandations pour réaliser un diagnostic fiable.

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ABSTRACT

The main failure mechanisms for diagnostics in maintenance

This article presents the main failure mechanisms of materials used in technical equipment and whose control is essential for failure diagnosis. After a reminder of the issues and terminology, the physicochemical characteristics of the main materials are briefly described. Then an inventory of the main mechanisms of rupture, wear, fatigue and aging followed by a presentation of the diagnostic methods are proposed. Industrial examples (lithium battery, wind turbines, Comet and Airbus A380) illustrate the complexity of the diagnosis. The conclusion gives recommendations for making a reliable diagnosis.

Auteur(s)

  • Gilles ZWINGELSTEIN : Ingénieur de l’École nationale supérieure d’électrotechnique, d’électronique, d’informatique, d’hydraulique et des télécommunications de Toulouse (ENSEEIHT), docteur-ingénieur, docteur ès sciences, professeur associé des universités en retraite, université Paris-Est

INTRODUCTION

L’analyse du retour d’expérience des banques de données sur les défaillances des équipements industriels fait ressortir qu’elles sont dues, dans la majorité des cas, aux choix des matériaux retenus lors de leur conception. Pendant le fonctionnement des équipements, leurs matériaux sont soumis à des sollicitations mécaniques, thermiques, à des environnements agressifs et des phénomènes de vieillissement. Cet article présente les principaux mécanismes de défaillance des matériaux qui conduisent à des ruptures brutales, à des fissurations avant rupture, à des pertes de matière ou à des changements de propriétés induits par le vieillissement. La connaissance de ces mécanismes de dégradation et de défaillance est indispensable lors de la conception pour sélectionner les matériaux qui assureront une fiabilité et une durée de vie optimale des équipements. La connaissance de ces mécanismes est également incontournable en diagnostic pour rechercher les causes des défaillances afin de sélectionner les actions correctives et pour estimer et prédire la durée de vie utile restante (DVUR) et la durée estimée de fonctionnement avant défaillance (DEFAD). La première section présente les enjeux et les concepts de base liés à la recherche de ces modes de défaillance des matériaux pour assurer de façon optimale la fiabilité, la disponibilité et la sûreté des équipements. Elle fournit un rappel succinct de la terminologie utilisée pour caractériser les défaillances conformément aux normes EN NF 13306, CEI 60050 et ISO13381-1. La deuxième section présente les éléments fondamentaux de la science de matériaux, indispensables pour caractériser un matériau en fonction de ses liaisons chimiques et ses structures cristallographiques. Ces propriétés permettent de proposer leur classification et d’établir les relations les plus utilisées en résistance des matériaux entre efforts, contraintes, déformations et déplacements. Les mécanismes de défaillance par rupture sont l’objet de la troisième section en distinguant les modes de fissuration rapide ou progressive. Une attention particulière est portée sur l’observation des faciès observés visuellement ou par microscopie qui permettent aux spécialistes d’identifier la nature du mode de rupture. La quatrième section est consacrée à la description de la corrosion, définie selon la norme ISO 8044 comme « Une interaction physico-chimique entre un métal et son environnement ». Les types de corrosion le plus souvent observés y sont présentés succinctement. La cinquième section est consacrée aux mécanismes d’usure liés aux contacts et aux frottements dans le cadre de la discipline appelée tribologie. Elle fournit un inventaire des principaux modes d’usure (abrasive, adhésive, par meulage et chocs [gouging-grinding]) et par petits débattements [fretting]. Le vieillissement d’un matériau défini par la norme DIN 50035 comme « L’ensemble de tous les processus chimiques et physiques irréversibles se produisant dans un matériau au cours du temps » fait l’objet de la sixième section. Elle décrit en particulier les processus de vieillissement relatifs aux matériaux métalliques, polymères et composites. La septième section propose une typologie des méthodes de diagnostic dont la finalité est d’identifier les mécanismes de défaillance des matériaux à partir de leurs symptômes. Après l’établissement des distinctions entre méthodes inductives et déductives, les principes des approches analytiques ou fondées sur l’intelligence artificielle sont brièvement exposés en différenciant leurs domaines d’applications (conception ou exploitation). Pour démontrer les difficultés rencontrées lors d’un diagnostic et en souligner la complexité, plusieurs exemples industriels sont exposés (batteries au lithium, éoliennes, défaillances structurelles des avions Comet et Airbus A380). Finalement, la conclusion fournit un récapitulatif des compétences nécessaires pour la compréhension des mécanismes de défaillance des matériaux et leur diagnostic. Elle insiste sur le rôle important de l’expertise humaine et sur le fait que les interactions entre les mécanismes de défaillance des matériaux ne sont pas toutes maîtrisées, ce qui implique la mise en œuvre d’une veille technologique active.

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KEYWORDS

materials   |   Failure   |   diagnosis   |   failure mechanisms

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-mt9132


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9. Conclusion

Le diagnostic des défaillances des équipements industriels et la prédiction de leur durée de vie impliquent des connaissances approfondies sur les matériaux retenus pour leur fabrication. Le retour d’expérience sur les causes primaires des défaillances sur les composants des équipements démontre qu’elles proviennent dans la grande majorité des cas de mécanismes de défaillance affectant leurs matériaux. La compréhension des mécanismes de défaillance des matériaux implique la maîtrise de nombreuses disciplines : structure des matériaux, mécanique de la rupture, résistance des matériaux, corrosion et vieillissement. La connaissance de ces mécanismes est indispensable pour prévenir des défaillances liées à la conception, établir un diagnostic post-mortem et estimer la durée de vie résiduelle ou DVUR (durée de vie utile restante) et le DEFAD (durée estimée de fonctionnement avant défaillance). Les exemples présentés soulignent la complexité et la nécessité d’un retour d’expérience pour anticiper et comprendre les mécanismes de défaillance. Il est important de souligner que l’apport des experts est indispensable pour interpréter les faciès obtenus par examens visuels ou microscopiques associés à un mécanisme précis de défaillance. Actuellement, la connaissance des phénomènes physico-chimiques sous-jacents aux mécanismes de défaillance des matériaux est loin d’être suffisante. Pour cette raison, de nombreux organismes spécialisés ont été créés pour conduire des recherches théoriques et expérimentales et parfaire la compréhension de ces mécanismes spécialement pour les nouveaux matériaux. Il est surtout très conseillé, pour un utilisateur potentiel, de faire une veille technologique active pour bénéficier de ces nouvelles données scientifiques et techniques.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   ISO13381-1 – Surveillance et diagnostic des machines – Pronostic – Partie 1 : Lignes directrices générales,  -  ISO 13381 (2015).

  • (2) -   CEI 60050-19 – Vocabulaire électrotechnique international – Partie 192 : sûreté de fonctionnement,  -  IEC 60050-192, (2015).

  • (3) -   EN NF 13306 – Maintenance – Terminologie de la maintenance,  -  NF EN 13306 (2018).

  • (4) - MERCIER (J.-P.), KURZ (W.), ZAMBELLI (G.Z.) -   Introduction à la science des matériaux : Traité des matériaux.  -  PPUR (1999).

  • (5) - BEN-AÏM (R.), BONARDET, FRAISSARD (J.) -   L’indispensable en liaisons chimiques : classes préparatoires, 1er cycle universitaire scientifique, IUT de chimie,  -  Breal (2003).

  • ...

1 Outils logiciels

Granta Design 2019, CES EDUPACK (enseignement des matériaux et procédés), [Logiciel] Granta Design Ltd, Tour Part-Dieu, 129 Rue Servient, 69003 Lyon, France

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2 Sites Internet

CORROSION DOCTORS, site américain qui a pour mission d’améliorer la connaissance générale sur la corrosion des métaux (page consultée le 8 Octobre 2019)

https://www.corrosion-doctors.org

Le Livre Multimédia de la Corrosion de l’INSA Lyon (page consultée le 8 Octobre 2019)

https://www.cdcorrosion.com/index.php

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3 Normes et standards

ISO 13381 (2015), Surveillance et diagnostic des machines – Pronostic – Partie 1 : Lignes directrices générales.

ISO 13372 (2012), Surveillance et diagnostic de l’état des machines – Vocabulaire.

IEC 60050-192 (2015), Vocabulaire électrotechnique...

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