2 SCIENCES DES MATERIAUX SDM Dr Abderrahim BENMOUSSAT
2 SCIENCES DES MATERIAUX SDM Dr Abderrahim BENMOUSSAT Enseignant – chercheur Sciences des matériaux et environnement UNIVERSITE ABOU BEKR BELKAID -TLEMCEN Faculté des sciences de l’Ingénieur Département génie mécanique 11/30/2020
3 Plan de la présentation • Importance des matériaux à travers l’histoire • Classification des matériaux • Matériaux et environnement • Choix des matériaux • Structure et organisation des matériaux • Changements d’état des matériaux • Comportement des matériaux en dégradation 11/30/2020
4 LES SCIENCES DES MATERIAUX Sont l’étude des relations entre la structure (organisation atomique et moléculaire) et les propriétés des différents matériaux dans leur état physique (solide, liquide ou gaz) et qui définissent leur comportement. Elle est complétée par le génie des matériaux (procédés de fabrication et mise en forme) 11/30/2020
5 Un matériau est une forme transformée solide de la matière naturelle pour la conception d’objets (outils et armes) par la maîtrise des techniques d’élaboration et de mise en œuvre définie par trois fonctions: q Dimensionnement q Forme géométrique q. Aspect économique relatif à son prix. 11/30/2020
6 Les matériaux ont de tout temps défini: q niveau de développement q civilisation q mutations technologiques dans toutes les spécialités dans l’activité des populations humaines. 11/30/2020
7 Au cours de l’histoire, l’utilisation directe de matières premières naturelles (pierre, bois , bronze et fer) étaient leurs outils et armes. Cette utilisation s’est progressivement étendue à des matériaux de plus en plus perfectionnés , comme le choix des aciers pour la construction mécanique ou le choix du silicium pour la fabrication des circuits intégrés. La fabrication de nouveaux armements a partir de matériaux nouveaux été à l’origine de l’innovation technique dans beaucoup de domaines. 11/30/2020
8 Ère de la civilisation humaine • • • est définie en tout temps en termes de matériaux desquels les armes et les outils sont fabriqués. âge de pierre âge de bronze âge de cuivre âge de fer Ère du silicium dans la deuxième moitié du vingtième siècle par la technologie du silicium en électronique les polymères et matériaux légers et économiques, devrait marquée cette période comme l’ère du silicium. 11/30/2020
9 Classification des matériaux Les matériaux sont classés suivant différents critères tels que leur: Composition Structures atomiques et nature des liaisons Propriétés 11/30/2020
Classification suivant la nature des liaisons et sur les structures atomiques 10 Matériaux composites Les trois classes de matériaux: métaux, céramiques et polymères 11/30/2020
11 Classification suivant la nature des liaisons et sur les structures atomiques • Métaux et Alliages (liaisons métalliques • Polymères organiques (liaisons covalentes et liaisons secondaires) • Céramiques (liaisons ioniques et liaisons covalentes 11/30/2020
12 Tableau périodique des éléments A gauche les métaux (70) a droite les non métau au milieu les semi conducteur (Si, B et C) 11/30/2020
13 Métaux et alliages • bon conducteurs de la chaleur et de l’électricité • opaques à la lumière visible qu’ils réfléchissent • Durs, rigides et déformables plastiquement • Température de fusion élevée 11/30/2020
14 Métaux et alliages • les aciers par leur grande diversité et par leur prix relativement faible, restent, et resteront longtemps, le matériau de base des industries mécaniques • L’aluminium et les alliages légers pour l'industrie aéronautique • le nickel et les alliages résistant à haute température pour les moteurs 11/30/2020
15 Polymères organiques • Matériaux composés de molécules formant de longues chaînes d’atomes de carbones sur lesquels sont fixés des éléments comme l’hydrogène ou le chlore, ou des groupements d’atomes comme le radical méthyle ( – CH 3) • Isolants électriques et thermiques • Mise en forme facile • Ne supportent pas les températures > 200°C 11/30/2020
16 Céramiques • Matériaux inorganiques, SIO 2 (silice), Al 2 O 3(Alumine). . . résultent de la combinaison d’éléments métalliques (Mg, Al, Ti. . ) avec des éléments non métalliques (O) • Résistances mécaniques et thermiques élevés • Matériaux fragiles comme le verre • Réfractaires • Abrasifs 11/30/2020
17 Propriétés des matériaux Caractérise la réaction du matériau à une sollicitation extérieure (3 types) • Propriétés mécaniques ( reflètent le comportement des matériaux soumis à des systèmes de forces • Propriétés physiques mesurent le comportement des matériaux soumis à l’action de la température, des champs électriques ou magnétiques, ou de la lumière • Propriétés chimiques, caractérisent le comportement des matériaux soumis à un environnement chimique plus ou moins agressif. 11/30/2020
18 Matériaux et Environnement • Ressources d’un élément sont la quantité de cet élément disponible dans l’écorce terrestre, les océans et l’atmosphère • Gisement est la zone où la concentration en minerai est importante • Recyclage des matériaux facile pour les métaux difficile pour les polymères organiques 11/30/2020
19 Cycle des matériaux (d’après Materials and man’s Needs, 1974 et A. Kelly, 1994 11/30/2020
20 Coûts des Matériaux 11/30/2020
21 CHOIX DES MATERIAUX Fonction Matériau Caractéristiques: physique, mécaniques, Géométrie Thermiques, électriques, Environnementales économiques Procédé Le choix du matériau est déterminé par sa fonction 11/30/2020
22 Procédés d’élaboration • Pyrométallurgie (voie sèche) • Hydrométallurgie (voie humide) Exemple du Zinc 11/30/2020
23 Pyrométallurgie ou voie sèche 11/30/2020
24 Procédé par Extraction humide du zinc Grillage Zn. S + 3/2 O 2 → Zn. O + SO 2 + Vapeur Avec une chaleur ∆H=-445 Kj/mole 8001000°C Lixiviation neutre et acide Zn. O + H 2 SO 4 → Zn. SO 4 + H 2 O Purification froid et à chaud 11/30/2020
25 • Repulpage neutre et acide • Électrolyse • Refonte • Mise en Lingot 11/30/2020
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29 Structure et organisation des matériaux (Architecture atomique) C‘est le mode de répartition des atomes ou des molécules dans le matériau solide et les relations géométriques existant entre les positions de tous les atomes Deux types d’arrangements ont été observés: Matériaux cristallins (arrangement régulier, ordre à grande distance) Matériaux amorphes ou non cristallins (arrangement non régulier, ordre à courte distance) 11/30/2020
30 Structure Cubique Cristalline, a)empilement de cube dans un cristal, b) structure cubique simple formés de huit atomes aux sommets 11/30/2020
31 Structure Cubique du Cristal Na. Cl et de son réseau 11/30/2020
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35 Les quatorze réseaux spatiaux de Bravais (p –primitif, C- centré, F faces centrées répartis en sept systèmes cristallins 11/30/2020
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37 Les quatorze réseaux spatiaux de Bravais (p –primitif, C- centré, F faces centrées répartis en sept systèmes critallins 11/30/2020
38 Structure tétraédrique amorphe SIO 11/30/2020
39 Transformations de phases des matériaux Les matériaux sont rarement utilisés à l’état purs mais à l’état de mélanges (alliages) par addition d’autres éléments. Les aciers et les fontes sont des alliages Fer – carbone, le silicium en électronique n’acquière de propriétés performantes que par l’introduction de petites quantités d’un élément dopant étranger, sinon il se comporte comme un matériau isolant. 11/30/2020
40 • Dans les mélanges, les atomes ou molécules de nature différentes peuvent être solubles en toute proportion (Cu – Ni) ou solubles partiellement (Fe –Fe 3 C). • Les diagrammes de phases définissent les états d’équilibre entre les phases (loi de Gibbs) et permet d’analyser la formation des microstructures (Austénite, ferrite. . . Pour le fer et le carbone) 11/30/2020
41 Diagramme d’équilibre de phases d’une substance pure montrant les domaines de stabilité du solide cristallin, du liquide et de la vapeur. T – point triple C- point critique 11/30/2020
42 Variation à pression constante de l’enthalpie libre des trois phases d’une substance pure A en fonction de la température. Le point A correspond au point de fusion et B au point d’ébullition 11/30/2020
43 Diagramme d’équilibre de phases du système binaire complètement miscible. La courbe de refroidissement ne montre pas de palier (d’après Eisenstadt 1971) 11/30/2020
44 Diagramme d’équilibre de phases du système Argent – cuivre avec système eutectique et les courbes de l’analyse thermique 11/30/2020
45 Diagramme d’équilibre métastable Fer – cémentite Fe 3 C utilisé pour les aciers et les fontes, présentant des domaines péritectique, eutectique et eutectoide. 11/30/2020
46 Comportement des matériaux • Mécanique des matériaux étudie le comportement des matériaux sous sollicitations mécaniques (déformation, élasticité, plasticité, rupture. . . ) • Physique des matériaux étudie le comportement des matériaux sous sollicitations physiques (température, rayonnement, champ. . . ) • Chimie des matériaux étudie le comportement des matériaux sous sollicitations chimiques (corrosion, interactions chimiques 11/30/2020
47 COMPORTEMENT DES MATERIAUX Il est très important de faire un bilan de santé du matériau Depuis sa naissance, jusqu’à son extinction et même au delà Univers Famille Classe Sous Classe Membre Caractéristiques Densité 1000 Céramiques Verres Matériau Métaux Polymères Élastomères Composites Aciers Alliages Cu Alliages Al Alliages Ti Alliages Ni Alliages Zn 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 5005 H 4 Module Résistance Ténacité 5005 H 6 Conductivité Th. 5083 H 2 Dilatation Thermique 5083 H 4 Résistivité 5154 0 Coût 5154 H 2 Corrosion Oxydation Classification des matériaux et leur attributs (> 80 000 matériaux) Des Matériaux de JP BAILON 11/30/2020
48 Mécanique des matériaux Défaillances mécaniques Défaillances par détérioration de surfaces: fatigue, usure Défaillances mécaniques par déformation plastique Défaillances mécaniques par rupture ductiles, fragiles ou de fatigue Défaillances par corrosion Ruptures des pièces plastiques et matériaux composites Vieillissement des polymères … 11/30/2020
49 OBJECTIFS Connaître les différents modes de dégradation des ouvrages de transport des hydrocarbures Ø Ø Maîtriser les facteurs influant la dégradation des ouvrages de transport des hydrocarbures Ø Maîtriser les effets de la corrosion sur les ouvrages de transport des hydrocarbures 11/30/2020
50 Comportement à la corrosion Le comportement à la corrosion d'un matériau en service dépend d'une multitude de facteurs: • composition chimique et microstructure du métal, • composition chimique de l'environnement, • paramètres physiques (température, convection, irradiation, etc. ), • sollicitations mécaniques (contraintes, chocs, frottements). La résistance à la corrosion n'est donc pas une propriété intrinsèque du métal, mais plutôt une propriété de l'interface métal/milieu. La corrosion dépend donc d'un système extrêmement complexe, dont les effets se manifestent, en pratique, sous une multitude d'aspects, parfois inattendus. 11/30/2020
51 Corrosion, du latin corrodere, signifie ronger, attaquer. On estime que la corrosion détruit un quart de la production annuelle mondiale d’acier, ce qui représente environ 150 millions de tonnes par an ou encore 5 tonnes par seconde. Or, la corrosion ne se limite pas à l’acier, mais affecte tous les métaux ainsi que les polymères et céramiques et touche tous les domaines de l’économie, du circuit intégré au pont en béton armé. Elle résulte d’interactions chimiques et/ou physiques entre le matériau et son environnement 11/30/2020
Corrosion en grande surfa 52 11/30/2020
53 Extension des pics de Corrosion 11/30/2020
54 Décollement du revêtement 11/30/2020
Définition Norme DIN 50900/1 D’après la norme DIN 50900/1, la corrosion est la réaction que subit une pièce métallique au contact de son environnement à savoir une modification mesurable de cette pièce pouvant entraîner une détérioration due à la corrosion. Cette réaction peut être électrochimique, chimique ou physico chimique. 11/30/2020 55
56 coût de la corrosion On évalue à 4% environ du produit national brut. Ces chiffres prennent en compte : § Les pertes directes; remplacements des matériaux corrodés et des équipements dégradés par la corrosion § Les pertes indirectes ; réparations, pertes de production ; § Les mesures de protection ; utilisation de matériaux plus chers résistant à la corrosion, de revêtements et de protection cathodique ; § Les mesures de prévention ; surdimensionnement des structures porteuses, inspections, entretien. 11/30/2020
57 Dégradation des matériaux • Transformation de l’acier en rouille par corrosion • Fissuration d’un laiton en présence d’ammoniaque, • Oxydation d’un contact électrique en cuivre, • Fragilisation par l’hydrogène d’un acier à haute résistance, • Corrosion à chaud d’un superalliage dans une turbine à gaz, • Gonflement du polyéthylène en contact avec un solvant, • Dégradation du PVC par le rayonnement ultraviolet, • Attaque d’un tuyau en nylon par un acide oxydant, • Attaque des briques réfractaires par les laitiers, • Attaque d’un verre minéral par une solution alcaline. 11/30/2020
58 Modes de la Corrosion Ø Corrosion électrochimique Corrosion mécaniques Ø sous contraintes ØCorrosion galvanique Ø Corrosion par les sols ØCorrosion bactériologique Ø Corrosion par courant vagabonds 11/30/2020
Classification des formes de la corrosion Huit types de corrosion souvent rencontrées en pratique Définitions 1) La corrosion uniforme (uniform corrosion) est une perte de matière plus ou moins régulière sur toute la surface. On trouve cette attaque notamment sur les métaux exposés aux milieux acides. 2) La corrosion galvanique (galvanic corrosion), appelée aussi corrosion bimétallique, est due à la formation d'une pile électrochimique entre deux métaux. La dégradation du métal le moins résistant s'intensifie. 11/30/2020 59
Classification des formes de la corrosion 3) La corrosion caverneuse (crevice corrosion) est due à une différence d'accessibilité de l'oxygène entre deux parties d'une structure, créant ainsi une pile électrochimique. On observe une attaque sélective du métal dans les fentes et autres endroits peu accessibles à l'oxygène. 4) La corrosion par piqûres (pitting corrosion) est produite par certains anions, notamment le chlorure, sur les métaux protégés par un film d'oxyde mince. Elle induit typiquement des cavités de quelques dizaines de micromètres de diamètre. 5) La corrosion intergranulaire (intergranular corrosion) est une attaque sélective aux joints de grains. Souvent, il s'agit de phases qui ont précipité lors d'un traitement thermique 11/30/2020 6) La corrosion sélective (sélective leaching) est l'oxydation d'un composant de l'alliage, conduisant à la formation d'une structure métallique poreuse 7) La corrosion érosion (érosion corrosion) est due à l'action conjointe d'une réaction électrochimique et d'un enlèvement mécanique de matière. Elle a souvent lieu sur des métaux exposés à l'écoulement rapide d'un fluide. 8) La corrosion sous contrainte (stress corrosion cracking) est une fissuration du métal, qui résulte de l'action commune d'une contrainte mécanique et d'une réaction électrochimique. 60
61 Classification des formes de la corrosion Corrosion uniforme Corrosion localisée 1) Composition du milieu : • corrosion par piqûres; • corrosion caverneuse; • corrosion filiforme; • corrosion bactériologique; 2) Composition du métal : • corrosion galvanique; • corrosion intergranulaire 3) Endommagement par des forces mécaniques : • érosion et cavitation; • frottement; • fatigue; 4) Rupture induite par l’environnement : • corrosion sous contrainte; • fragilisation par l’hydrogène 11/30/2020
62 Pose d’un pipe sous terre Incertitudes Matériau Géométrie Chargements Modèles 11/30/2020
63 DEGRADATION DU PIPE STRUCTURE TUBULAIRE ENVIRONNEMENT Population (%) Trafics Masse Géométrie Chocs & Vibrations Propriétés du matériau Interaction Sol Pipe Contraintes Résiduelles Durée de Vie Changement des Propriétés Actions sur le système Corrosion Fatigue 11/30/2020 Temps
64 Exemple de corrosion Corrosion caverneuse d’un joint due à la formation d’une pile d’aération 11/30/2020
65 Exemple corrosion C Exemple de corrosion due à la formation de piles d’aération 11/30/2020
66 Exemple Changement local du p. H dans une goutte d’eau placée sur une surface en acier 11/30/2020
67 Exemple Corrosion par piqûre: • piqûre profonde, • piqûre occluse, • piqûre hémisphérique. La dimension varie de quelques micromètres à quelques millimètres. 11/30/2020 Réactions anodiques et cathodiques
Rapport d’enquêtes sur accident de pipeline 68 Le Bureau de la sécurité des transports du Canada (BST) a enquêté sur cet accident dans le seul but de promouvoir la sécurité des transports. Le Bureau n'est pas habilité à attribuer ni à déterminer les responsabilités civiles ou pénales. Rapport d'enquête sur accident de pipeline Rupture d'un oléoduc Interprovincial Pipe Line Inc. Canalisation 3, poteau milliaire près de Glenavon (Saskatchewan) 27 février 1996 Rapport numéro P 96 H 0008 11/30/2020
69 La rupture a été causée par une corrosion étroite sur la paroi extérieure dans l'axe de la conduite, adjacente et parallèle à un bourrelet longitudinal de soudure, dont la propagation a été assistée par la fissuration par corrosion sous tension en milieu à p. H faible, et qui n'a pas été décelée par le programme permanent de contrôle de l'intégrité de la compagnie, appelé Susceptibility Investigation Action Plan (plan d'action pour évaluer la sensibilité de la canalisation 3). 11/30/2020
70 Fissuration sous contrainte Dans certains milieux, les métaux se fissurent et se rompent à des contraintes nettement inférieures à leur résistance maximale à la traction, voire à leur limite élastique. Ce comportement porte le nom de fissuration sous contrainte induite par l'environnement (environment induced cracking, EIC) ou fissuration sous contrainte sensible au milieu (environment sensitive cracking, ESC). La résistance d'un matériau en service ne dépend donc pas seulement de ses propriétés mécaniques intrinsèques. Elle dépend aussi des conditions environnantes. Métaux, polymères et céramiques, tous les types de matériaux peuvent subir une fissuration sous contrainte sensible au milieu. Cependant, les conditions et les mécanismes physico chimiques responsables de l'altération diffèrent. Le comportement des métaux revêt une importance particulière en raison de leur présence massive dans les structures porteuses, notamment dans les industries chimiques, pétrolières, nucléaires et aéronautiques, ou dans le génie civil. Dans tous ces domaines, une rupture inattendue peut provoquer des accidents aux conséquences catastrophiques. 11/30/2020
Définitions 71 La fissuration sous contrainte des métaux induite par l'environnement inclut les phénomènes suivants: • la corrosion sous contrainte, • la fragilisation par l'hydrogène, • la fatigue corrosion, • la fragilisation par les métaux liquides. La corrosion sous contrainte (stress corrosion cracking, SCC), appelée aussi corrosion fissurante sous contrainte, résulte d'une action conjointe entre la corrosion et une contrainte de traction statique, que cette dernière soit appliquée ou résiduelle. Ce type d'altération n'a lieu que lorsque plusieurs conditions, relatives tant aux propriétés du métal qu'à la contrainte mécanique ou au milieu, sont réunies. 11/30/2020
Définitions 72 La fragilisation par hydrogène (hydrogen embrittlement, HE) désigne une fissuration provoquée par une contrainte de traction et la présence d'hydrogène dissous dans le métal. Parfois, l'hydrogène seul suffit à endommager un métal. Dans certains cas, la corrosion sous contrainte et la fragilisation par l'hydrogène ont lieu simultanément. Il n'existe alors pas de limite précise qui permette de distinguer les deux phénomènes. La fatigue-corrosion (corrosion fatigue, CF) apparaît sous l'action conjuguée d'un 'milieu corrosif et de contraintes cycliques. Elle se manifeste par un abaissement de la résistance à la fatigue du métal. Les structures porteuses sont souvent soumises à des contraintes cycliques, notamment à des vibrations de basses fréquences. Dans certaines industries, l'ampleur des dégâts dus à la corrosion fatigue dépasse ainsi celle des dommages provoqués par la corrosion sous contrainte. La fragilisation par les métaux liquides (liquid métal embrittlement) se produit lorsqu'un métal solide entre en contact avec un métal liquide ou du moins dont la température avoisine le point de fusion. Ce processus ne constitue qu'un problème d'importance limitée. Il peut avoir lieu notamment lors du brasage, ou dans les circuits de refroidissement utilisant des métaux liquides. 11/30/2020
Caractéristiques des ruptures 73 Les ruptures dues à la fissuration sous contrainte sensible au milieu ont deux caractéristiques communes: • elles sont en général de type fragile, • elles ne se manifestent qu'après une certaine durée. La présence d'une rupture fragile (absence de déformation plastique) dans un métal normalement ductile permet souvent d'identifier une fissuration sous contrainte induite par l'environnement. Par ailleurs, ce type de fissuration ne se manifeste qu'après une certaine durée. Cela rend son étude en laboratoire difficile, car il faut accélérer les phénomènes, puis extrapoler les résultats aux conditions réelles. Fissures Intergranulaires et Transgranilaires Selon les conditions, la fissuration sous contrainte sensible au milieu forme des fissures intergranulaires, qui suivent les joints de grains, ou des fissures transgranulaires, souvent ramifiées, qui traversent les grains. 11/30/2020
Fissures Trangranulaires fissures transgranulaires dans un acier inoxydable austénitique (DIN 1. 4541) exposé à un milieu chlorure à 100°C 11/30/2020 et Intergranulaires Fissuration sous contrainte: fissures intergranulaires dans un acier inoxydable austénitique (DIN 1. 4571) exposé à un milieu alcalin à 80°C 0 74
Fissures Trangranulaires et Intergranulaires Les deux types de fissures provoquent des ruptures transgranulaires ou des ruptures intergranulaires. Parfois on observe également des ruptures mixtes, comportant des cassures qui suivent les joints de grains et d'autres qui traversent les grains. Rupture Intergranulaire d’un acier au carbone en milieu alcalin, à 70°C 11/30/2020 Rupture Transgranulaire d’un acier inoxydable austénitique (DIN 1. 4439) en milieu chlorure, à 100°C 75
Fissures Trangranulaires Rupture intergranulaire due à la corrosion sous contrainte d'un alliage Al 4% Cu, soumis à un essai de traction à faible vitesse de déformation en milieu chlorure. 11/30/2020 et Intergranulaires Déviation de la fissure transgranulaire dans l’Aluminium Al 2024 T 351 76
ESSAIS DE CORROSION SOUS CONTRAINTE 77 Selon la sollicitation de l'éprouvette, on distingue les essais à charge imposée ou à déformation imposée. Dans les essais de corrosion sous contrainte, la valeur du paramètre mécanique imposé (charge ou déformation) est constante ou varie à vitesse constante. Par contre, dans les essais de corrosion fatigue, elle varie de façon périodique. Les essais de corrosion sous contrainte servent à l'étude de la résistance d'un matériau à la corrosion sous contrainte et à la fragilisation par l'hydrogène. Certains types d'essais nécessitent l'utilisation d'une machine de traction, d'autres se contentent de dispositifs très simples. Souvent ils ne fournissent que des informations qualitatives. Selon le type d'éprouvette utilisé, on différencie trois groupes d'essais de corrosion sous contrainte: • les essais statiques avec éprouvettes non fissurées, • les essais statiques avec éprouvettes préfissurées, • les essais de traction à faible vitesse de déformation 11/30/2020
Essais Statiques avec éprouvettes non fissurées 78 Les essais statiques réalisés avec des éprouvettes non fissurées permettent de caractériser, pour un milieu donné, la sensibilité d'un métal à la corrosion sous contrainte et à la fragilisation par l'hydrogène. Généralement, on charge les éprouvettes puis on les expose, au milieu corrosif. On mesure alors la durée avant défaillance tf. . Les éprouvettes comportent parfois une entaille — à ne pas confondre avec l'amorce d'une fissure — qui permet de fixer le lieu de défaillance. Dans les essais à déformation constante, la durée avant défaillance correspond à l'apparition des premières fissures. Ce type d'expérience indique donc le temps d'amorçage des fissures. Les essais à charge constante, en revanche, indiquent la durée avant rupture, qui correspond à la somme des temps d'amorçage et de propagation. Dans un essai à déformation constante, la contrainte réelle diminue lorsqu'une fissure apparaît et se propage. Souvent elle devient tellement faible que la fissure s'arrête avant la rupture de l'échantillon. Dans un essai à charge constante, au contraire, la contrainte réelle augmente avec la progression des fissures car la section réelle de l'éprouvette diminue. Rapidement l'éprouvette se rompt. 11/30/2020
Essais Statiques avec éprouvettes non fissurées 79 Évolution de la contrainte réelle et de la contrainte nominale en fonction du temps, dans un de corrosion sous contrainte lorsqu’on impose une déformation constante ou à charge constante. 11/30/2020
Éprouvettes en flexion Éprouvettes pour essais de corrosion sous contraintes en flexion 11/30/2020 80
81 Éprouvettes en U Éprouvettes cintrés en U sont destinées à recevoir une déformation plastique con stante. Leur emploi se limite donc aux matériaux ductiles. La déformation du métal est très élevée, ce qui permet d'obtenir rapidement des résultats qualitatifs. Éprouvettes en forme de U sont fabriquées à partir de tôles épaisses, de barres ou de tubes. Elles servent à mesurer tant la durée d'amorçage des fissures que la durée avant la rupture, en fonction du paramètre imposé. 11/30/2020
Éprouvettes destinés aux essais de traction Les éprouvettes destinées aux essais en traction uniaxiale permettent de mieux maîtriser les conditions de mise en charge. Elles peuvent avoir une forme circulaire (barres, fils) ou rectangulaire. On les soumet de préférence à une charge constante, au moyen d'un ressort ou d'un levier auquel on fixe un poids. On peut ainsi déterminer la durée avant rupture, en fonction de la charge appliquée. Une machine de traction permet également de réaliser une telle expérience, mais elle requiert un investissement plus important. 11/30/2020 82
83 Théorie de l’élasticité linéaire La théorie de l'élasticité linéaire fournit une relation entre la force appliquée et la contrainte locale à la pointe d'une fissure, dans un matériau fragile. Il existe trois modes de rupture. I II Modes de rupture I, II et III 11/30/2020 III
Théorie de l’élasticité linéaire Pour une éprouvette chargée en mode I, les trois composantes de la contrainte locale au voisinage de la pointe de la fissure varient en fonction de la distance radiale r et de l'angle pris par rapport au plan de la fissure La composante s’écrit: y = Kiƒ(r, ) Ki= y ( a)1/2 Kiƒ(a/W) Système de coordonnées ayant son origine à la pointe de la fissure 11/30/2020 84
Théorie de l’élasticité linéaire: Contrainte en tête de fissure Distribution of stresses in vicinity of a crack tip 11/30/2020 'Effective' crack length taken to be initial length plus the plastic zone radius 85
Théorie de l’élasticité linéaire: Calcul des contraintes 11/30/2020 86
87 Forme des éprouvettes Des normes décrivent les différentes éprouvettes préfissurées destinées aux essais de corrosion sous contrainte à charge constante ou à déformation constante. Deux types d’éprouvettes sont souvent employées: Éprouvette compacte pour sollicitations en traction (CTS) Éprouvette Type double poutre pour sollicitation en flexion en porte à faux (DCB) 11/30/2020
Deux approches pour étudier corrosion des métaux 88 Approche déterministe La mécanique de la rupture est l’approche commune, la plus utilisée. Dans ce cas, les lois de comportement des fissures en fatigue, en fatigue corrosion et la fissuration sous corrosion et sous contraintes sont très recherchées. Dans cet approche le recours à l’expérimentation est très fort. Plusieurs résultats émanant des différents travaux peuvent être trouvés dans la littérature, mais beaucoup de variables influant ces phénomènes sont omises, suites aux difficultés rencontrées pendant l’expérimentation. Le recours aux équipements de plus en plus sophistiqués est possible mais il reste très coûteux. Approche probabiliste Depuis une quinzaine d’années, l’approche fiabiliste est de plus en plus utilisée, et elle touche plusieurs domaines. Dans le cas des tubes, elle s’applique dans l’analyse de la fiabilité dans la conception et la maintenance. Elle intègre d’une part, la connaissance du comportement du matériau et le dimensionnement en prenant compte l’évaluation des actions qui agissent sur la structure tubulaire. D’autre part, dans le domaine de la mécanique de la rupture, elle donne des informations complémentaires et indispensables pour le concepteur. La présence d’une fissure, ses dimensions, sa forme et sa densité ne peuvent être représentées d’une façon réelle que par une approche fiabiliste. 11/30/2020
89 CONCLUSION Vu l’importance des matériaux qui définissent le niveau de civilisation et de développement des populations à travers tout les ages, il est nécessaire aujourd’hui d’entreprendre des études sur la connaissance des procédés de fabrication des matériaux et de leur comportement sous l’effet des sollicitations diverses mécaniques physiques et chimiques. 11/30/2020
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