Avec plus de 25 ans d'expérience dans les essais de matériaux, la métallurgie et l'ingénierie des systèmes, le chercheur scientifique d'MTS, le Dr Erik Schwarzkopf, apporte une expertise unique aux interactions avec les clients. Dans cette session de questions-réponses, il aborde la mécanique de la rupture et les essais de ténacité à la rupture.
Q : Qu'est-ce que l'essai de ténacité à la rupture ?
R : En termes simples, un essai de ténacité à la rupture est un essai non cyclique qui mesure combien d'énergie il faut pour faire croître une fissure de manière catastrophique. Différents types d'essais définissent "énergie" et "catastrophique" de manière différente. L'énergie peut englober un paramètre représentatif d'énergie tel qu'un paramètre de distance comme le CTOD, ou un paramètre d'intensité de contrainte comme le KIc, ou un paramètre d'énergie divisé par une surface comme le JIc. La croissance catastrophique des fissures peut être interprétée comme très rapide, très loin ou un peu plus loin que l'état initial. Parmi les normes courantes des essais de ténacité à la rupture, on trouve les normes ASTM E399, E561 et E1820.
Essai R-Curve ASTM E561 sur un spécimen en acier mince. Les bruits générés lors de la progression de la fissure sont dus à une croissance instable de la fissure, entraînant des changements soudains de force ou de déplacement communément appelés « pop-ins. »
Q : Quelles industries s'intéressent aux mesures de ténacité à la rupture ?
A : Toute industrie qui utilise des récipients sous pression doit connaître les propriétés de ténacité à la rupture des matériaux utilisés pour ces conteneurs pressurisés. Lorsque quelque chose est sous pression, il est important de savoir comment cela va réagir dans le temps. Il est préférable d'avoir un conteneur ou un tuyau qui fuit plutôt que qui explose, donc le choix du bon matériau avec les propriétés souhaitées est crucial. C'est pourquoi les mesures de ténacité à la rupture sont précieuses lors de la sélection de matériaux pour les tuyauteries dans les centrales électriques, ou dans les applications nucléaires et pétrolières. En plus de l'intérêt du secteur de l'énergie, les fabricants de métaux et de composites, ainsi que les industries navale, du génie civil et aérospatial, s'appuient également sur les mesures de ténacité à la rupture pour évaluer les matériaux.
Q : Comment les fissures se développent-elles et quel est le lien avec la plasticité des matériaux ?
A : Les fissures peuvent se développer et consommer de l'énergie de plusieurs manières, selon les propriétés du matériau – parfois une fissure fait que le matériau se casse en deux morceaux (la création de chaque nouvelle surface absorbe de l'énergie), parfois le matériau absorbe de l'énergie en se déformant, parfois il se transforme (passe d'une phase à une autre). En raison des propriétés variées des matériaux, il existe plusieurs types de mécanique de la rupture. Pour les matériaux à haute résistance, la mécanique de la rupture élastique linéaire (LEFM) est couramment utilisée. Pour des matériaux plus ductiles, il y a la mécanique de la rupture élastique plastique (EPFM). La ténacité à la rupture élastique linéaire suppose que la déformation plastique est faible par rapport à toutes les autres dimensions.
Q : Quand utiliseriez-vous un type d'essai de ténacité à la rupture plutôt qu'un autre ?
A : Cela dépend du type de données dont vous avez besoin et du matériau. Si vous avez besoin d'une réponse qualitative par rapport à une réponse quantitative, certains des tests les plus simples pourront vous indiquer si le matériau est plus ou moins susceptible de se fissurer. Un test simple ne vous dira pas combien il est plus facile de fissurer le matériau, mais la courbe d'un simple test de traction peut vous donner des informations. Un essai d'impact Charpy vous dira si un matériau peut résister à une force et vous fournira des données de réussite/échec. Si vous avez besoin d'une mesure quantitative, et que vous pouvez obtenir un test valide à partir d'un petit spécimen, vous pouvez essayer un essai KIc, à condition que la plasticité du matériau soit minimale.
Q : Que faire si la plasticité du matériau n'est pas minimale ?
A : Parfois, réaliser un essai KIc valide nécessiterait un spécimen très grand (et très coûteux) pour garantir que la majeure partie du spécimen soit élastique. Il existe une solution à ce problème : avec un résultat J Integral valide, vous pouvez calculer la valeur K, ce qui vous permet d'utiliser un spécimen plus petit. Déterminer le J Integral nécessite plus d'analyse, mais comme il n'est pas dépendant de la taille de la zone plastique, il ne nécessite pas le grand spécimen.
Q : Quelles autres considérations faut-il prendre en compte lors du choix d'un type d'essai de ténacité à la rupture ?
A : Comme pour tous les essais, la cohérence est importante. Le type de notches doit être cohérent. Contrôler la température, la géométrie et l'épaisseur du spécimen, ainsi que le taux de charge, sont tous des exigences pour un résultat de test valide. Les données collectées lors des essais précédents sont également un facteur à considérer. Si vous avez un historique de données CTOD, il est donc logique de choisir ce type de test.
Q : Qu'en est-il de l'essai de la ténacité à la rupture des matériaux fabriqués par addition ?
A : Les matériaux fabriqués par addition deviennent de plus en plus courants, et ils présentent plusieurs domaines de préoccupation : porosité, densité et limites de particules. Les pores et les limites dans ces matériaux agissent comme des fissures ou des notches, affectant les propriétés de fatigue et de rupture du matériau. Vous devez déterminer si les "pseudo" notches provoquent une croissance catastrophique des fissures ou non. Les composites et les matériaux fabriqués par addition présentent des défis uniques en raison des défauts entre les couches que nous ne pouvons pas voir, donc ils doivent être testés.
Q : Quelles autres avancées le futur réserve-t-il pour la mesure de la ténacité à la rupture ?
A : Il continuera d'y avoir de nouvelles façons de fabriquer des matériaux, comme l'impression 3D/la fabrication additive ; de nouveaux matériaux comme les composites techniques ; de nouveaux usages pour les matériaux dans des domaines comme les véhicules à hydrogène et les voyages dans l'espace ; et de nouvelles techniques de test. Toute cette innovation signifie que les matériaux devront être évalués pour leur ténacité à la rupture afin de déterminer s'ils sont appropriés pour l'utilisation finale prévue. En comprenant les principes et les méthodologies des essais de ténacité à la rupture, les chercheurs et les ingénieurs peuvent développer des matériaux et des structures plus sûrs et plus fiables pour répondre aux besoins évolutifs de la technologie moderne et de l'industrie.
