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RÉSUMÉ
Cet article traite des ruptures brutales qui interviennent au cours du chargement ou en fin de durée de vie lorsque les fissures à croissance lente atteignent une valeur critique. Après une description succincte des mécanismes de rupture brutale, la transition de ductilité des aciers ferritiques est présentée, avec un accent sur les facteurs influençant cette rupture et notamment la notion de température de transition fragile-ductile. Les essais de rupture par choc sont ensuite présentés, depuis les essais Charpy jusqu’aux essais utilisant des éprouvettes de plus grande taille.
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Dominique FRANÇOIS : Professeur honoraire de l'École Centrale Paris
INTRODUCTION
Les ruptures en service sont extrêmement coûteuses : lorsqu'elles surviennent, si par bonheur elles n'entraînent pas de pertes de vie humaine, en plus du remplacement des équipements détériorés, il convient de compter les heures et les productions perdues, l'image de marque abîmée, les marchés disparus... À titre d'exemples, la rupture de boulons du système de commande du gouvernail de l'Amoco Cadiz a provoqué son naufrage le 16 mars 1978 et la marée noire dont on se souvient ; la rupture de la cloison étanche de la queue du Boeing 747 du vol 123 de Japan Airlines a entraîné le 12 août 1985 la perte du contrôle de l'appareil et la mort de 120 personnes ; la rupture de la jante d'une roue a provoqué le 3 juin 1998 le déraillement du train à grande vitesse ICE Wilhem Conrad Röntgen près de Eshede en Allemagne, faisant 101 morts et une centaine de blessés.
Ces ruptures surviennent sous l'effet des sollicitations que supportent les pièces excédant la résistance à la rupture des matériaux dont elles sont constituées. Il importe évidemment de connaître le mieux possible cette dernière propriété, qui dépend de divers facteurs : température, vitesse de déformation, environnement.
Aussi de nombreux essais ont-ils été imaginés pour évaluer la résistance à la rupture des matériaux et certains d'entre eux sont depuis longtemps couramment pratiqués dans l'industrie. Pour en bien apprécier la portée et les limites, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de rupture qui interviennent. Cela permet d'apprécier l'intérêt des essais de choc sur éprouvettes entaillées mis au point notamment par Georges Charpy il y a une centaine d'années [1]. Ces essais procurent des données précieuses pour évaluer la résistance à la rupture des matériaux sous forme de la résilience, énergie absorbée lors du choc. Ils permettent, tout particulièrement, de déterminer le risque de rupture fragile des aciers, aux températures inférieures à la température de transition fragile-ductile. Ils sont particulièrement utiles pour les constructions soudées. Simples à mettre en œuvre et peu coûteux, les essais Charpy sont donc extrêmement répandus et conservent une très grande utilité (voir « Relation résilience-ténacité. Apports de la modélisation numérique » [M 4 168]).
La résilience ainsi mesurée n'est qu'une donnée qui n'est pas transposable à une structure réelle. Elle ne donne qu'une indication relative. Les essais Charpy ont été instrumentés de façon à en tirer des données plus quantitatives fournies par l'enregistrement de la variation de l'effort exercé par le marteau au cours du choc (norme ISO 148-1).
La principale difficulté de transposition des résultats de résilience des essais Charpy tient à l'effet de taille, une structure de forte épaisseur étant plus fragile que les petites éprouvettes Charpy. Aussi, des essais utilisant des éprouvettes prélevées dans les tôles ou les produits devant réellement servir à la construction ont-ils été imaginés. Ils procurent par exemple la température de ductilité nulle d'un acier, désignée par l'acronyme NDT de l'anglais « nil ductility temperature ».
Dans cet article, nous n'envisageons que les ruptures brutales, celles qui surviennent au cours du chargement ou en fin de durée de vie lorsque les fissures à croissance lente atteignent une valeur critique. Nous excluons donc les essais destinés à apprécier les risques de rupture différée, par fatigue, par corrosion sous contrainte, par fluage. Ils sont abordés dans d'autres articles :
Après une description succincte des mécanismes de rupture brutale, nous montrons pourquoi les aciers ferritiques présentent une transition de ductilité et nous mettons en évidence les facteurs qui ont une influence sur cette rupture. Nous développons alors la notion de température de transition fragile-ductile. Puis nous décrivons les essais de rupture par choc en commençant par les essais Charpy pour ensuite passer aux essais utilisant des éprouvettes de plus grande taille.
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2. Notion de température de transition de ductilité
2.1 Essais sur éprouvettes lisses
Nous considérons le cas des métaux qui peuvent se rompre par clivage : les cubiques centrés et les hexagonaux, à l'exclusion des cubiques à faces centrées. L'exemple le plus souvent considéré est celui des aciers ferritiques.
La limite d'élasticité Re décroît quand la température T augmente (figure 5). À une température critique Tc, Re rencontre la courbe représentative de la contrainte de clivage σf. Un peu au-dessus de cette température, au cours de l'essai de traction, l'éprouvette commence par se déformer plastiquement, s'écrouit et se rompt par clivage quand la contrainte appliquée atteint σf. On voit que l'allongement de rupture, fonction de l'écart entre la limite d'élasticité et la contrainte de clivage, augmente avec la température. Au-dessous de la température Tc, le comportement est différent. Il faut, comme on l'a vu au paragraphe , commencer par déformer plastiquement pour pouvoir déclencher le clivage. La rupture ne survient donc pas avant la limite d'élasticité. Mais dès qu'elle est atteinte, comme le niveau de contraintes est supérieur à σf, la rupture par clivage intervient. L'allongement de rupture est nul. À plus hautes températures, l'allongement de rupture augmentant, on atteint la déformation de rupture ductile εf avant σf. Le faciès de rupture transite donc du clivage aux cupules. Au-delà de cette température de transition de faciès Tf, supérieure à Tc, l'allongement de rupture reste à peu près constant. On voit donc qu'il existe une transition de ductilité, caractérisée par la température de ductilité nulle Tc et par la température de transition de faciès Tf.
Si l'on augmente la vitesse de sollicitation, la limite d'élasticité augmente, alors que la contrainte de clivage σf diminue. La température correspondant au croisement des deux courbes augmente donc. Ainsi, la température de transition de ductilité est-elle fonction de la vitesse de sollicitation v et est-elle augmentée si celle-ci croît. La température absolue de transition Tc varie d'ailleurs selon la loi :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FRANÇOIS (D.), PINEAU (A.) - From Charpy to Present Impact Testing - . ESIS publication, 30, Elsevier (2002).
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(2) - FRANÇOIS (D.), PINEAU (A.) - Physical Aspects of Fracture - . NATO Science series (2001).
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(3) - PINEAU (A.) - Physical Mechanisms of Damage - , in BESSON (J.). – Local Approach to Fracture. Les Presses de l'École des Mines, Paris (2004).
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(4) - FRANÇOIS (D.), PINEAU (A.), ZAOUI (A.) - Comportement mécanique des matériaux - . Hermès, Paris (1994).
-
(5) - FRANÇOIS (D.), PINEAU (A.), ZAOUI (A.) - Mechanical Behaviour of Materials - . Kluwer Acad. Pub., Dordrecht (1998).
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(6) - TANGUY (B.) - Testing - , in BESSON (J.). – Local Approach to Fracture. Les Presses de l'École des Mines, Paris (2004).
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NORMES
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Matériaux métalliques. Essai de flexion par choc sur éprouvettes Charpy. Partie 1 : méthode d'essai - NF EN 10045-1 - 10- 90
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Matériaux métalliques. Essai de flexion par choc sur éprouvettes Charpy. Partie 2 : vérification de la machine d'essai (mouton- pendule) - NF EN 10045- 2 - 12-92
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Matériaux métalliques. Essai de flexion par choc sur éprouvette Charpy. Partie 1 : méthode d'essai - ISO 148- 1:2006 - 2-06
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Vérification des machines d'essai par choc (moutons-pendules) pour l'essai des aciers - ISO 148- 2:1998 - 12-98
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Matériaux métalliques. Essai de flexion par choc sur éprouvette Charpy. Partie 3 : préparation et caractérisation des éprouvettes de référence Charpy V pour la vérification des machines d'essai (mouton-pendule) - ISO 148-3:1998 - 12-98
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Matériaux métalliques. Méthode unifiée d'essai pour la détermination de la ténacité quasi statique - ISO 12135:2002 - 12-02
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