Mécanique de la rupture (LEBM, FBM)
La mécanique de la rupture étudie la croissance des fissures, leur propagation et l’arrêt des fissures dans le composant ou le matériau sous conditions de fonctionnement (fonctionnement, durée de vie, ...). Les grandeurs caractéristiques déterminées sous prise en compte de la fonction contrainte-temps, influencent la conception et la fabrication d'un composant.
La mécanique de la rupture joue un rôle majeur dans de nombreux secteurs d’activité tels que l’industrie aéronautique ou l'ingénierie automobile. Grâce à une estimation plus précise de la durée de vie ou de service des composants fissurés, les intervalles d'inspection et de maintenance peuvent être déterminés de manière ciblée.
On distingue deux concepts, la mécanique linéaire élastique de la rupture (LEBM) et mécanique de la rupture par écoulement (FBM).
Mécanique linéaire élastique de la rupture LEBM Mécanique de la rupture par écoulement FBM Normes Propagation de la fissure Matériaux métalliques Formes éprouvettes Machines d’essais
Mécanique linéaire élastique de la rupture
Dans la mécanique linéaire élastique de la rupture LEBM (adaptée aux matériaux fragiles) le matériau se comporte de manière linéaire élastique jusqu'à la rupture sans déformation (propagation instable de la fissure). Le K1C, qui décrit l’intensité de contrainte (K) critique (C) pour le mode d'ouverture de fissure 1, est une grandeur caractéristique de la mécanique linéaire élastique.
Mécanique de la rupture par écoulement
Lorsque le matériau se rompt de manière ductile, c'est-à-dire avec une déformation plastique autour de la pointe de fissure, on utilise, en revanche, le concept de mécanique de la rupture par écoulement. Deux définitions sont proposées, l'une est la détermination des valeurs caractéristiques via l'énergie stockée dans l'environnement de la pointe de fissure (concept de l’intégrale J), l'autre est l’écartement de la pointe de fissure (CTOD „crack tip opening displacement“).
Principales normes
- ASTM E399-09 - Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness K1C of Metallic Materials
- ASTM E647 – Standard Test Method for Measurement of Fatigue crack growth rates (da/dN)
- ASTM E1820-11 – Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness (metals)
- ISO 12135 - Méthode unifiée d'essai pour la détermination de la ténacité quasi statique
Propagation des fissures dans les composants métalliques
Les défauts liés à la fabrication dans le composant ou sur la surface du composant constituent des noyaux de fissures qui favorisent la formation de fissures sous charge.Ces défauts peuvent devenir une fissure, c'est-à-dire un dommage matériel macroscopique qui peut être techniquement détecté.On parle alors de phase d’initiation de la fissure.
Dans la phase de propagation de fissure suivante, la fissure se poursuit dans le composant jusqu'à ce que l'intensité de la contrainte K devant la pointe de la fissure dépasse une valeur critique et que le composant cède brusquement.
Les fissures se propagent dans des composants soumis à des charges monotones ou cycliques, de manière stable (état pré-critique) ou instable (état critique).Pour les matériaux fragiles, une quantité de charge critique K1C , dont la détermination est décrite par l’ASTM E399, peut être spécifiée.Lorsque l'intensité de la contrainte K de la fissure en croissance passe en dessous du K1C, la fissure se propage de manière stable et peut être arrêtée à tout moment (fissure déchargée).Lorsque la valeur K1C est dépassée, la croissance de la fissure devient instable et le composant cède brusquement.
La courbe de croissance des fissures se subdivise en trois plages:
- Plage I:Valeur de seuil ΔKth
- Plage II:Croissance des fissures de fatigue da/dN
- Plage III:Facteur d’intensité de contrainte critique K1C (résistance aux fissures)
Éprouvette C(T)
La principale forme éprouvette utilisée dans la mécanique de la rupture est l’éprouvette Compact Tension.Celle-ci est utilisée pour l’essai conformément à ASTM E399 / E647.
Les formes éprouvettes suivantes sont également répertoriées par les normes.Elles sont choisies en fonction du secteur d’activité et des matières premières disponibles:
- Éprouvette M(T) Éprouvette Middle tension pour essai conformément à ASTM E647
- Éprouvette ESE(T) Éprouvette Eccentrically loaded single edge crack tension – Éprouvette pour essai conformément à ASTM E647
- Éprouvette SE(B) Éprouvette Single edge bend pour essai conformément à ASTM E399
- Éprouvette DC(T) Éprouvette Disc-Shaped Compact Tension pour essai conformément à ASTM E399
- Éprouvette A(T) Éprouvette Arc-Shaped tension pour essai conformément à ASTM E399
- Éprouvette A(B) Éprouvette Arc-Shaped bend pour essai conformément à ASTM E399
