Comprendre le fluage dans un matériau

Le fluage, parfois appelé écoulement à froid, est la tendance d'un matériau solide à se déplacer lentement ou à subir une déformation irréversible lorsqu'il est soumis à des charges mécaniques continues. Lors de l'examen de composants qui fonctionnent sous des charges ou des températures élevées, les ingénieurs et les métallurgistes s'inquiètent généralement du fluage. Un mécanisme de déformation appelé fluage peut ou non être un mode de défaillance. Dans cet article, les réponses aux questions suivantes seront répondues :

• Qu'est-ce que le fluage dans un matériau ?
• Quelles sont les étapes du fluage des matériaux ?
• Qu'est-ce que la résistance au fluage ?
• Quels sont les types de déformation par fluage ?
• Quels sont les cas courants de fluage ?
• Comment mesurer une résistance au fluage ?
• Comment minimiser ou éviter la déformation par fluage ?

Plongeons maintenant !

Qu'est-ce que le fluage dans un matériau ?

Le fluage, parfois appelé écoulement à froid, est la tendance d'un matériau solide à se déplacer lentement ou à subir une déformation irréversible lorsqu'il est soumis à des charges mécaniques continues.

Cela peut se produire à la suite d'une exposition prolongée à des niveaux de contrainte élevés qui sont toujours inférieurs à la limite d'élasticité du matériau. L'exposition à long terme à la chaleur aggrave le fluage et s'aggrave souvent à mesure que les matériaux se rapprochent du point de fusion. Les qualités du matériau, la période d'exposition, la température d'exposition et la charge structurelle appliquée affectent tous la rapidité avec laquelle un matériau se déforme.

En fonction de l'intensité de la contrainte appliquée et de sa durée, la déformation peut augmenter au point qu'un composant ne peut plus remplir sa fonction. Par exemple, le fluage d'une aube de turbine peut amener l'aube à entrer en contact avec le carter et à tomber en panne. Lors de l'examen de composants qui fonctionnent sous des charges ou des températures élevées, les ingénieurs et les métallurgistes s'inquiètent généralement du fluage. Un mécanisme de déformation appelé fluage peut ou non être un mode de défaillance.

Par exemple, certains ingénieurs du béton aiment le fluage modeste car il réduit les contraintes de traction qui pourraient autrement provoquer des fissures. La déformation par fluage ne se produit pas instantanément lorsqu'une contrainte est appliquée, contrairement à une rupture fragile. Au lieu de cela, un stress persistant entraîne une accumulation de contraintes. Le fluage est donc une déformation "dépendante du temps".

Quelles sont les étapes du fluage des matériaux ?

Le fluage est une sorte de déformation du métal qui se produit à des charges inférieures à la limite d'élasticité d'un métal, généralement à des températures élevées. Il y a trois phases pour ramper :

• Primaire ou Stade I
• Secondaire ou Niveau II
• Territoire ou Stade III

Primaire ou Stade I

Au cours du processus de déformation, le fluage primaire se produit d'abord. La déformation élastique vient juste de commencer à ce stade. L'étirement de la liaison atomique entraîne une déformation élastique temporaire. La déformation plastique permanente commence à se produire après la déformation élastique. Cette distorsion commence plus rapidement pendant la phase de fluage primaire puis ralentit avec le temps. L'écrouissage est la cause de la diminution du taux de fluage qui se produit vers la fin de l'étape de fluage primaire.

Secondaire ou Stade II

Une fois que la vitesse de déformation commence à se stabiliser et à devenir constante, le fluage secondaire commence. Par rapport à la première étape et à la troisième étape de fluage, la déformation pendant le fluage secondaire se produit très lentement. Puisqu'il n'y a pas eu de dommages microstructuraux, le taux de fluage est régulier et assez lent.

Tertiaire ou Stade III

Le processus de déformation par fluage se termine par le fluage tertiaire. Une fois la microstructure du métal endommagée, cette étape du processus de fluage commence. Au fur et à mesure que la microstructure se détériore de plus en plus, la vitesse de déformation augmente. Le métal finit par se fracturer et échouer une fois que suffisamment de vides microstructuraux ont été produits.

Qu'est-ce que la résistance au fluage ?

Le matériau réagit différemment lorsqu'il est soumis à un stress immédiat élevé ou à un stress soutenu sur une période prolongée. Lorsqu'un matériau est soumis à des contraintes mécaniques continues, il semble se déplacer lentement ou se déformer de manière permanente.

Le Crawl est le nom de cette tendance innée. La température, le temps, la contrainte et la composition de l'alliage sont quelques-uns des facteurs qui affectent le début et le développement du fluage dans un matériau. Le taux de déformation par fluage est le nom donné au pourcentage de glissement. Le fluage doit se familiariser avec de nombreuses applications d'ingénierie, en particulier celles qui traitent des températures et des contraintes élevées. Quelques exemples d'impact rampant dans les conduites de vapeur, les vaisseaux spatiaux et les turbines sont le disque et la lame.

La limite de fluage, également connue sous le nom de résistance au fluage, mesure la capacité d'un matériau à résister au fluage. Le stress, en particulier, fait référence aux facteurs externes qui provoquent un taux de fluage constant. Cela implique que la contrainte la plus élevée que le matériau a subie sans se déformer de manière significative pendant une période donnée est ce qui provoque la résistance à la fissuration.

Quels sont les types de déformation par fluage ?

Les fluages ​​de dislocation, le fluage de diffusion (diffusion en masse ou diffusion aux joints de grains), le fluage de montée-glissement de dislocation et le fluage de glissement déclenché thermiquement sont quelques exemples de déformation par fluage. Ces nombreux mécanismes de fluage dépendent tous de la température à laquelle le matériau se déforme, de la quantité de contraintes auxquelles le matériau est soumis, ainsi que de la microstructure et de la composition du matériau.

Un rail soudé en continu chauffé par la lumière directe du soleil, par exemple, peut se déformer sur une voie ferrée. Ceci est provoqué par la tension croissante de l'acier et le fluage qui s'ensuit. Sous un fluage modéré, le béton peut se fracturer, mais cela est parfois avantageux car cela aide à réduire les contraintes de traction dans la structure. Une contrainte constante sur les polymères entraîne un processus d'augmentation de la déformation dépendant du temps appelé fluage viscoélastique.

Quels sont les cas courants de fluage ?

Plus souvent qu'autrement, le fluage peut être remarqué dans certaines applications. En raison de leurs faibles charges statiques et de leurs basses températures de fonctionnement, les châssis automobiles, par exemple, sont davantage axés sur la résistance aux chocs. D'autre part, si le mauvais matériau est choisi, certains composants du moteur automobile exposés à des charges et des températures élevées dues à la combustion du moteur peuvent subir un fluage.

Les applications avec une chaleur élevée et des contraintes extrêmes sont souvent sujettes au fluage. Les exemples incluent la production d'énergie nucléaire, les pièces de moteurs industriels, les filaments métalliques chauffés, les pièces de moteurs à réaction et les tuyaux haute température sous pression.

Comment mesurer une résistance au fluage ?

Une machine d'essai de fluage, un outil qui mesure la déformation d'un matériau sous diverses contraintes, est utilisée pour évaluer la résistance au fluage. Avec la température ou la charge comme variables, il peut être utilisé pour tracer la contrainte et la déformation qu'un matériau peut supporter. Les 3 étapes uniques du fluage (fluage primaire, fluage à l'état d'équilibre et fluage tertiaire) sont affichées sur le graphique suivant.

La température et l'intervalle de temps pour chaque étape de fluage peuvent être déterminés à partir du graphique. Ainsi, l'étape de fluage tertiaire du graphique peut être utilisée pour déterminer la résistance au fluage ou la limite de fluage. Pour minimiser les effets de la dilatation thermique, il est essentiel de réguler la température de la chambre où l'essai de fluage est effectué.

Comment minimiser ou éviter la déformation par fluage ?

Il est maintenant évident que la déformation par fluage est généralement une mauvaise chose. Certaines considérations de conception peuvent être prises pour atténuer son impact ou l'empêcher de se produire, dont certaines incluent :

• Utiliser des matériaux monocristallins à gros grains pour réduire le glissement des joints de grains et ajouter des solutions solides pour éliminer les vides microstructuraux.
• Utilisez des substances à point de fusion élevé.
• Utilisez des métaux cubiques face-centre (FCC) plutôt que des métaux cubiques centre-corps (BCC) pour réduire la diffusivité en raison de leurs coefficients de diffusion plus faibles.
• Utilisez des matériaux avec un module de cisaillement élevé ou un alliage pratique.
• Réduire la température de fonctionnement du matériau lors de son utilisation (spécifique à l'application).

En résumé

Il est maintenant clair que la déformation par fluage est généralement un phénomène indésirable. Pour réduire son effet ou l'empêcher de se produire, l'étape ci-dessus doit être suivie.

En science des matériaux, le fluage est la tendance d'un matériau solide à se déplacer lentement ou à se déformer en permanence sous l'influence de contraintes mécaniques persistantes.

C'est tout pour cet article, qui répond aux questions suivantes :

• Qu'est-ce que le fluage dans un matériau ?
• Quelles sont les étapes du fluage des matériaux ?
• Qu'est-ce que la résistance au fluage ?
• Quels sont les types de déformation par fluage ?
• Quels sont les cas courants de fluage ?
• Comment mesurer une résistance au fluage ?
• Comment minimiser ou éviter la déformation par fluage ?

J'espère que vous apprendrez beaucoup de la lecture, si c'est le cas, merci de partager avec les autres merci pour la lecture et à bientôt !