Endommagements Et Rupture De Matériaux

253 Pages·2004·4.981 MB·French

by  François, Dominique

ENDOMMAGEMENTS
ET RUPTURE
DE MATÉRIAUX
ENDOMMAGEMENTS
ET RUPTURE
DE MATÉRIAUX

Dominique François
École Centrale de Paris

17, avenue du Hoggar
Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, France
ISBN : 2-86883- 714-X

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Table des matières
Avant-propos
................................................................. IX
Notations
....................................................................... XIII
1 • Les endommagements des matériaux
1. Les matériaux, matière ouvrée ....................................... 1
2. Endommagement : création de nouvelles surfaces............. 2
3. Clivages et glissements ................................................. 4
3.1. Plansdeclivageetplansdeglissement ......................... 4
3.2. Fragilitéouductilité?................................................ 9
4. Endommagement par clivage ......................................... 12
5. Endommagement ductile par cavitation .......................... 13
6. Endommagement par fatigue ......................................... 20
6.1. Fatiguedesmonocristaux........................................... 20
6.2. Fatiguedespolycristaux............................................ 22
6.3. Fatiguethermique.................................................... 26
6.4. Fatiguederoulement ................................................ 26
7. Endommagement de corrosion sous contrainte................. 30
8. Endommagement de fluage............................................ 31
9. Combinaisons d’endommagements ................................. 32
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II D. FRANÇOIS
10. Conclusion.................................................................. 34
A.1. Annexe : Modèle de Rice et Thomson............................... 35
2 • Les endommagements, le désordre
et les hétérogénéités
1. Ordre parfait, désordre parfait, ordres et désordres locaux . 37
2. Contrainte théorique de rupture..................................... 37
3. Glissement localisé et dislocations ................................. 40
3.1. MécanismedeZener................................................. 40
3.2. Lescellulesdedislocationsenfatigue ........................... 41
4. Le désordre des lacunes................................................. 43
5. Les inclusions.............................................................. 43
5.1. Lesinclusionssourcesdeclivagesoudecavités .............. 43
5.2. Naissancedefissuressurlesinclusions ........................ 45
6. Grains et joints de grains............................................... 49
6.1. Rôledelatailledegraindansl’endommagement
parclivage............................................................. 49
6.2. Quelquesélémentsdemécaniquedelarupture................ 49
6.3. Propagationd’unembryondefissuredeclivage............... 51
6.4. Blocagedesclivagessurlesjointsdegrains................... 51
6.5. Casdesmartensitesetdesbainites.............................. 52
6.6. LoideWeibull.......................................................... 53
6.7. Rôledesgrainsdanslapropagationdesfissuresdefatigue 54
7. Croissance et coalescence des cavités ............................. 56
8. Les fibres .................................................................... 56
8.1. Fibresplusfragilesquelamatrice................................ 57
8.2. Matriceplusfragilequelesfibres................................. 57
9. Conclusion.................................................................. 59
A. Annexes...................................................................... 60
A.1. Contraintethéoriquederupture ................................... 60
A.2. LoideWeibull.......................................................... 60
A.3. Développementssupplémentairessurlamécanique
desinclusions ........................................................ 62
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TABLEDESMATIÈRES III
A.4. Modèlesdecroissancedecavités................................. 66
A.5. Compositesàfibres.................................................. 68
3 • Endommagement et matériaux poreux
1. Notions de mécanique de l’endommagement.................... 71
1.1. Traitementélémentaire.............................................. 71
1.2. Relationentrelesprocessusmicroscopiques
d’endommagementetlamécaniquedel’endommagement . 74
1.3. Malheureusementdesincompatibilités!......................... 77
1.4. Mécaniquedel’endommagementdanslecadredela
thermodynamiquedesprocessusirréversibles................ 78
2. Mécanique des matériaux plastiques poreux..................... 79
3. Conclusion.................................................................. 84
A. Annexes...................................................................... 85
A.1. Moduled’élasticitéd’unmatériauélastiquelinéaireisotrope
contenantunefissureenformedepiécette .................... 85
A.2. Tauxdecroissancedescavités.................................... 85
4 • Environnement et endommagement
1. La fragilisation par l’hydrogène ...................................... 87
1.1. Pénétrationdel’hydrogènedanslesmétaux ................... 88
1.2. Diffusiondel’hydrogène ............................................ 93
1.3. Mécanismesdefragilisationparl’hydrogène................... 94
1.4. Influencedediversparamètressurlafragilisation
parl’hydrogène ...................................................... 99
1.5. Aspectsfractographiques........................................... 100
2. La corrosion sous contrainte.......................................... 102
2.1. Phénoménologie....................................................... 102
2.2. Amorçagedesfissuresdecorrosionsouscontrainte.......... 105
2.3. Propagationdesfissuresencorrosionsouscontrainte ....... 106
3. Fatigue-corrosion......................................................... 111
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IV D. FRANÇOIS
4. Conclusion.................................................................. 112
A. Annexe : Propagation d’une fissure par accumulation
de gaz en fragilisation par l’hydrogène.......................... 113
5 • Endommagement et besoins industriels
1. Développement des recherches sur la fatigue ................... 115
2. Développements de la maîtrise de la rupture fragile .......... 117
2.1. L’essaiCharpy........................................................ 117
2.2. LesavionsetGriffith................................................. 118
2.3. L’AtlantiqueNordetlatempératuredetransition
fragile-ductile......................................................... 119
2.4. Laconquêtedel’espaceetlamaîtrisedunucléaire
etlamécaniquedelarupture..................................... 130
2.5. L’électro-nucléaire,legazetlepétroleetlamécanique
delaruptureenélasto-plasticité ................................. 132
3. Conclusion.................................................................. 136
A. Annexes...................................................................... 137
A.1. Calculdeschampsdecontraintesetdedéformations
danslasectiond’uneéprouvettecylindriqueentaillée,
d’aprèsBridgman.................................................... 137
A.2. Influencedelavitessededéformationsurl’énergie
declivage.............................................................. 138
6 • Prévoir les évolutions des endommagements
1. Les stades et conditions d’endommagement..................... 141
2. La fatigue.................................................................... 143
2.1. Approcheglobale...................................................... 143
2.2. Propagationdesfissureslonguesenfatigue.................... 148
2.3. Comportementdesfissurescourtes............................... 152
2.4. Prévisiondel’amorçagedesfissuresdefatigue ............... 153
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TABLEDESMATIÈRES V
3. La corrosion sous contrainte et la fatigue-corrosion .......... 155
3.1. Prévoirl’absencedecorrosionsouscontrainte
oudefatigue-corrosion.............................................. 155
3.2. Propagationdesfissuresdecorrosionsouscontrainte
etdefatigue-corrosion .............................................. 156
4. L’endommagement par fluage......................................... 156
4.1. Lesfacteursdeprévision............................................ 156
4.2. Naissancedescavités............................................... 158
4.3. Croissancedescavités .............................................. 160
4.4. Vitessedepropagationdesfissuresenfluage................. 165
5. Interactions fatigue-fluage............................................. 166
6. Conclusion.................................................................. 168
A. Annexes...................................................................... 168
A.1. Prévisiondeladuréed’amorçaged’unefissuredefatigue
auvoisinaged’untrou.............................................. 168
A.2. Naissancedescavitésdefluage .................................. 169
7 • Endommagements et maintenance
1. Équilibre entre coût de maintenance et coût
des défaillances............................................................ 171
2. Contrôles non destructifs .............................................. 173
2.1. Cequ’ilimportedecontrôler........................................ 173
2.2. Examensvisuels...................................................... 174
2.3. Ressuage............................................................... 174
2.4. Magnétoscopie......................................................... 175
2.5. Radiographieetgammagraphie ................................... 175
2.6. Ultrasons............................................................... 176
2.7. CourantsdeFoucault................................................ 178
2.8. Émissionacoustique ................................................. 179
3. Un exemple de maintenance, celle des ouvrages d’art........ 180
3.1. Untraitementdéterministe......................................... 180
3.2. Traitementfiabiliste.................................................. 181
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VI D. FRANÇOIS
8 • Guérison des endommagements
1. La ménagère et le bricoleur recousent et collent............... 189
2. Guérison des tissus vivants............................................ 189
3. Des matériaux autocicatrisants ?.................................... 190
3.1. Lecasduverre........................................................ 190
3.2. Cicatrisationdespolymères........................................ 191
3.3. Autocicatrisationdecompositescéramiques.................... 193
3.4. Autocicatrisationdesbétons ....................................... 194
9 • Conclusion
1. Conditions pour pouvoir parler d’une science
des endommagements ?................................................ 197
2. Lois universelles .......................................................... 198
3. L’expérience est imprégnée de théorie............................. 200
4. Méthode scientifique .................................................... 200
5. But de la science des endommagements .......................... 203
A • Annexe. Éléments de mécanique
de la rupture en élasticité linéaire
A.1. Facteur d’intensité de contrainte ................................... 205
A.1.1. Champsdedéplacement,dedéformationetdecontrainte
àl’extrémitéd’unefissure ....................................... 205
A.1.2. Calculdesfacteursd’intensitédecontrainte................. 208
A.2. Taux de libération d’énergie........................................... 211
A.2.1. Déterminationdutauxdelibérationd’énergieG............ 211
A.2.2. Relationentreletauxdelibérationd’énergieG
etlefacteurd’intensitédecontrainteK....................... 213
A.2.3. Déterminationdel’écartementdeslèvresdelafissure.... 214
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TABLEDESMATIÈRES VII
A.3. Intégrale de Rice-Cherepanov J...................................... 215
A.3.1. DéfinitiondeJ...................................................... 215
A.3.2. DéterminationexpérimentaledeJ.............................. 216
A.4. Zones plastifiées confinées en tête de fissure ................... 216
A.4.1. Zoneplastifiéeencontrainteplane............................. 216
A.4.2. Zoneplastifiéeendéformationplane.......................... 221
Quelques livres recommandés et utiles
................... 225
Index
............................................................................... 227