Fatigue par fluage ou déformation
En tant qu'ingénieur ou fabricant, vous connaissez bien le comportement des matériaux. Vous savez, les matériaux se déforment souvent. Vous êtes peut-être confronté à des problèmes régulièrement. Savez-vous ce qui cause ces comportements ? déformation par fluageIl est donc important de comprendre ce qu’est la déformation par fluage et comment éviter qu’elle ne se produise de manière inattendue.
Le fluage est un processus sournois qui se produit généralement au fil du temps. Son évolution est progressive. Il affecte souvent les métaux comme l'acier et les polymères. Cette déformation lente et continue peut vous surprendre. Cependant, avec les connaissances appropriées, vous pouvez l'anticiper.
De plus, la lecture et l’interprétation d’un graphique de fluage C'est l'une des compétences les plus importantes à développer. Examinons de plus près la déformation par fluage, sa définition et les moyens de l'éviter.
Qu'est-ce que la déformation par fluage ?
Effet de déformation par fluage
La déformation par fluage est un phénomène progressif. Contrairement à la déformation mécanique, elle se produit lorsqu'un matériau est soumis à des contraintes constantes au fil du temps. Elle n'est peut-être pas immédiatement apparente, mais elle peut néanmoins entraîner une défaillance du matériau. Sa formation dépend des propriétés du matériau, de sa température, de son utilisation et des conditions de contrainte.
Imaginez un ouvrier plaçant sa bouteille d'eau en métal au fond de son sac à dos contenant ses outils. Cet objet reste dissimulé sous d'autres outils tout au long de la journée. La bouteille avait un aspect normal lorsqu'elle était neuve, mais elle a tendance à se déformer au fil de son utilisation. Le bouchon et le fond de l'objet métallique peuvent changer de forme. Le processus de pliage se développe progressivement, sans transformation soudaine ni immédiate. Le métal devient progressivement mou sous la pression continue d'outils lourds et du liquide qu'il contient.
Signes de déformation par fluage
Signes de déformation par fluage
La détection préalable des signes de fluage permet d'éviter toute déformation du matériau. Le fluage se produit dans de nombreux types de matériaux lorsqu'ils subissent et maintiennent de fortes contraintes. En règle générale, Alliage d'acier subit une déformation par fluage à des températures dépassant 40 % de son point de fusion.
Le béton présente des caractéristiques distinctes de tous les autres matériaux de construction. La fonction fondamentale du mélange de béton dépend de la proportion de granulats. Le processus de formation des dommages dus au fluage comprend les variations de température et les niveaux de contrainte du matériau. Ce développement prolongé endommage définitivement les éléments de construction en béton et leurs caractéristiques de surface.
Le phénomène de fluage et de déformation affecte généralement les polymères, le nylon, l'ABS, le polyéthylène et de nombreux autres matériaux (Obtenez plus d'informations sur différents Types de plastique pour l'usinage CNC)Les superalliages constituent une méthode efficace pour empêcher l'effet de fluage. De plus, les matériaux de qualité technique présentent une résistance supérieure à la déformation par fluage, car ils conservent leur résistance mécanique sous haute pression.
Le glissement de l'impression 3D
Infiltration de chaleur Impression 3D
Le fluage n'est pas un problème propre à la fabrication traditionnelle. Il est également fréquent en impression 3D. En impression FDM, la déformation par fluage résulte de la relaxation viscoélastique sous charge, ce qui déplace les chaînes moléculaires.
Un autre problème est le fluage thermique. Il se produit lorsque la chaleur se propage brusquement vers le haut de l'objet imprimé. En chauffant, le matériau se déforme, notamment lorsque la chaleur atteint des zones non prévues.
Qu'est-ce que le taux de fluage à l'état stationnaire ?
Taux de fluage à l'état stationnaire
Au fil du temps, les matériaux fluants réagissent aux contraintes en différentes phases. La vitesse de fluage à l'état stationnaire est une phase critique. Durant cette phase, le matériau présente une déformation uniforme et maintient une vitesse de variation constante, sans augmentation ni diminution.
Le matériau a terminé sa phase de fluage rapide, qui a lancé le processus. Il maintient désormais un équilibre et un taux de variation stable. Le mouvement lent et constant à ce stade entraînera probablement une défaillance du matériau si la contrainte persiste.
Par exemple, un tuyau métallique dans une chaudière à haute température est soumis à une pression interne constante. En raison du fluage à l'état stationnaire, il s'allonge progressivement au fil des ans, jusqu'à la rupture. Lorsque le matériau est soumis à des contraintes continues en phase stationnaire, il peut être encore plus vulnérable à la rupture.
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Quelles sont les étapes typiques du fluage ?
Étapes de la déformation par fluage
La déformation par fluage se produit généralement par étapes. Chaque étape révèle un élément important de l'évolution du comportement du matériau. Décomposons ces étapes pour mieux comprendre le processus :
Stade primaire (fluage transitoire)
Il s'agit de la première étape après l'application d'une charge sur le matériau. Le matériau subit une phase élastiqueDurant cette phase, la vitesse de fluage ralentit. Le matériau commence à subir écrouissageEn termes plus simples, il durcit sous la pression, ce qui rend la déformation moins rapide au début.
Stade secondaire (fluage à l'état stationnaire)
Une fois que le matériau a traversé l’étape primaire, il entre dans le stade secondaire, appelée fluage à l'état stationnaireCette étape est la phase la plus longue du fluage. Le matériau continue de se déformer, mais à un rythme plus régulier. À ce stade, le matériau commence à se ramollir, ce qui favorise la poursuite du processus de déformation. Il est important d'être attentif à cette étape, car elle fournit des données précieuses pour la conception de structures ou de matériaux soumis à des contraintes à long terme.
Stade tertiaire
La phase finale du fluage est celle où les choses commencent à déraper. C'est là que la structure interne du matériau se dégrade et que des défaillances surviennent. À ce stade, vides, micro-fissures, et la séparation des joints de grains peut se former, entraînant une rupture. Le matériau ne peut plus résister à la contrainte, et la rupture devient inévitable avec le temps.
Types de déformation par fluage
Le fluage n'est pas un processus universel. Différents mécanismes interviennent lors du fluage, impliquant de multiples processus distincts qui nécessitent des conditions spécifiques pour s'activer. Les principaux fluages se manifestent par trois formes principales de déformation. Explications.
Nabarro-Herring Creep
Effet rampant Nabarro-Herring
Un fonctionnement à haute température combiné à une contrainte minimale conduit au développement d'une déformation par fluage de Nabarro-Herring. Les atomes du réseau cristallin du matériau se déplacent lorsque la température augmente. Les atomes peuvent alors se déplacer librement dans la structure du matériau. Celle-ci contient alors de nouveaux espaces vides. La taille des grains primaires détermine la vitesse à laquelle les matériaux se déforment par fluage. Les grains de plus petite taille présentent des taux de déformation plus rapides.
Fluage du polymère
Les matériaux polymères sont particulièrement sensibles au fluage sous forte contrainte et à haute température. Ils présentent ce comportement à température élevée et à température ambiante. Le principal facteur à l'origine du fluage des polymères provient des mouvements de glissement des chaînes polymères. Ce phénomène affecte principalement les polymères amorphes, contrairement aux polymères cristallins. (Lire la suite sur le propriétés chimiques du nylon)
Fluage de luxation
Fluage de luxation
Lors de cette phase de fluage, les atomes du matériau se déplacent par glissement ou ascension des dislocations. Le fluage en loi de puissance décrit le mouvement atomique par décalages horizontaux ou verticaux. Il génère des lacunes qui entraînent une déformation du matériau. Ce dernier subit une déformation progressive due au déplacement des dislocations dans sa structure.
Coble Creep
Effet de fluage Coble
Le fluage des grains se produit à des températures inférieures à celles des autres types de déformation des matériaux. Ce type de déformation se produit principalement aux joints de grains, plutôt qu'à la surface des grains elle-même. Les joints à l'intérieur du matériau se déplacent perpendiculairement à la force de contrainte initiale, provoquant ainsi le fluage.
Fluage par traînée de solutés
Certains matériaux contiennent des composants en alliage résistant qui subissent une déformation par le mécanisme d'entraînement du soluté. Les températures élevées entraînent une déformation atomique du matériau soluté. Cela entraîne une défaillance mécanique et de graves dommages matériels.
Harper-Dorn Creep
Harper-Dorn et le monstre (HD)
Le mécanisme de dislocation à l'origine de ce type de fluage diffère des autres cas de fluage par dislocation. Lors du fluage Harper-Dorn, la vitesse de déformation reste pratiquement inchangée par les variations de granulométrie. Pour que ce type de fluage se produise, le matériau doit être pur à 99.95 % et comporter de gros grains de plus de 0.5 mm. De plus, le fluage doit présenter une faible densité de dislocations pour être visible. La combinaison de niveaux de contrainte et de températures compris entre 35 % et 60 % du point de fusion permet l'activation du fluage Harper-Dorn.
Contrainte limite de frittage
Le processus de liaison des particules de matériau par chauffage entraîne un dépôt de fluage lors des opérations de frittage. Lorsque la température du matériau augmente et que la taille des pores interparticulaires diminue, la densité du matériau augmente. Le fluage se produit lorsque les pores cessent de se rétracter et que le matériau approche de son seuil de densité. La contrainte à ce stade entraîne le fluage.
Résumé du tableau
| Type de fluage | Conditions | Élément clé |
| Nabarro-Herring | Haute température, faible contrainte | Mouvement atomique, petite taille de grain |
| Fluage du polymère | Forte contrainte, haute température | Mouvement de la chaîne polymère : affecte les polymères amorphes |
| Fluage de luxation | Stress modéré, température | Déplacements d'atomes via des dislocations, déformation progressive |
| Coble Creep | Basse température, stress élevé | Déformation aux joints de grains |
| Fluage par traînée de solutés | Température élevée | Déformation due aux atomes de soluté |
| Harper-Dorn Creep | Température élevée, peu de luxations | Gros grains, déformation lente |
| Contrainte limite de frittage | Haute température, frittage | La liaison des particules et le rétrécissement des pores s'arrêtent |
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Impact de la déformation due au fluage sur les matériaux d'ingénierie
Voyons comment le fluage affecte les matériaux d’ingénierie.
Déformation par fluage
Comportement au fluage des plastiques
Habituellement, les thermoplastiques subissent une déformation par fluage par une lente modification dimensionnelle due à une accumulation constante de contraintes au fil du temps. Cette transition se produit progressivement et passe donc généralement inaperçue. Les pièces métalliques se déforment progressivement sous une pression prolongée, de la même manière qu'une pièce métallique se plie lentement.
Glissement des limites des grains
Glissement des limites des grains
Des arêtes de faible densité relient les minuscules cristaux du matériau. Le matériau se fragilise en raison de la rupture de ses limites lors des phénomènes de fluage. Lorsque la pression continue d'augmenter, un espace se forme entre ses sections.
Durcissement par contrainte
Un matériau acquiert sa ténacité après étirement ou déformation grâce à l'écrouissage. Durant la première phase de fluage primaire, le matériau présente une résistance élevée sous contrainte. Il devient ensuite progressivement plus rigide lorsque le fil est plié sur toute sa longueur.
Postes vacants
Un matériau présente des lacunes lorsqu'il présente des espaces vides. C'est là que les atomes existent dans sa structure. Les atomes gagnent en mobilité lors du fluage, ce qui crée des espaces vides entre leurs positions. Des trous se forment entre les atomes tandis qu'ils ajustent leur position.
Comment prévenir la déformation due au fluage ?
La prévention du fluage nécessite de connaître la progression des différents matériaux à travers leurs différentes phases de fluage. Le suivi de la phase de transition secondaire des matériaux permet de choisir les matériaux les plus adaptés à chaque projet.
Les matériaux sans grains coulés directionnels sont plus résistants à la déformation induite par les contraintes. Les superalliages et les matériaux renforcés par dispersion constituent d'excellents choix, car ils présentent une résistance au fluage supérieure à celle des autres matériaux.
Les matériaux à grains fins (par exemple, les superalliages) améliorent la résistance au fluage en renforçant les joints de grains. De plus, les matériaux à point de fusion élevé restent intacts à des températures extrêmes et ne se déforment pas facilement sous l'effet du fluage.
De plus, le contrôle de la température peut également contribuer à la résistance au fluage. L'application de températures fraîches au matériau prolonge sa résistance tout en retardant le début du fluage.
Déformation par fluage de l'acier inoxydable 316FR lors de l'usinage
Équation de fluage-fatigue pour l'acier inoxydable 316
L'analyse a examiné l'influence des environnements sodiques sur l'acier inoxydable 316FR soumis à des procédés de carburation. Ce procédé s'applique aux composants fabriqués lors de l'usinage. Ces composants ont ensuite été utilisés dans réacteurs surgénérateurs rapides. Les expériences réalisées à 550 ° C les conditions de sodium reproduisaient les paramètres opérationnels des réacteurs actuels.
L'étude a permis de conclure les points suivants. Le comportement du matériau a été observé lors de la phase d'essai essentielle, juste avant le début de la procédure de fluage. Le chercheur a appliqué une contrainte supérieure à la limite d'élasticité lors de cette phase d'essai. Les analystes ont maintenu une force constante tout au long de la deuxième phase expérimentale pour évaluer le comportement au fluage. Le plan expérimental nécessitait la prise en compte du retrait de la surface du matériau, car il entraînait une augmentation des contraintes.
Au cours du processus de carburation, des altérations du matériau ont pénétré le carbone. Ils ont observé que le matériau devenait plus résistant avant que sa vitesse de fluage ne diminue progressivement. La surface extérieure du matériau présente une pénétration plus rapide du carbone pendant la carburation. Des zones de concentration de contraintes se forment sous l'effet de ces conditions, provoquant des fissures.
Un processus d'évaluation systématique du modèle permet aux chercheurs de calculer les conditions à l'origine de la fissuration du matériau. À des niveaux de contrainte plus faibles, le matériau a subi davantage de fractures dues au fluage qu'à des contraintes plus élevées, ce qui a principalement affecté la résistance à la traction.
En conditions de laboratoire, avec une solution de sodium à des niveaux de contrainte élevés, le matériau a montré une durée de vie réduite par rapport aux essais à l'air. La durée d'exposition du matériau au sodium était équivalente ou légèrement supérieure à celle des périodes d'exposition à l'air à des niveaux de contrainte inférieurs aux conditions atmosphériques. Les essais expérimentaux indiquent que les propriétés du matériau sont restées pratiquement inchangées par les traitements de carburation à 550 °C.
Approche pratique pour prévenir le fluage lors de l'usinage
Prévention du fluage dans l'usinage
L'analyse par éléments finis (FEA) doit être utilisée pour usinage de l'acier sur mesure Pièces soumises à usinage. Il permet de simuler la réponse du matériau sous contrainte et sous température.
De plus, cela contribue à prévenir le fluage. Les ingénieurs peuvent ainsi anticiper les problèmes de fluage. De plus, vous pouvez sélectionner des matériaux optimaux pour des composants aux formes plus harmonieuses.
La surveillance des machines en temps réel est une autre approche permettant d'améliorer l'efficacité de l'usinage CNC. vitesse d'alimentation Les procédures de refroidissement aident les fabricants à éviter le fluage. L'optimisation des parcours d'outils et des conditions d'usinage optimales peuvent réduire la contrainte de fluage de 30 %. (En savoir plus Usinage CNC 5 axes)
Faits marquants
Un matériau soumis au fluage mécanique se déforme à des températures élevées dépassant 40 % de son point de fusion, tout en étant soumis à une limite d'élasticité proche de la limite d'élasticité. Lors du fluage, le matériau se déforme progressivement. Cependant, la formation prévue peut nécessiter de nombreuses années avant d'atteindre la destruction.
Choisissez un acier à point de fusion plus élevé pour minimiser les risques de rupture par fluage. Sous contrainte de traction, la combinaison de grains plus gros ralentit la déformation par fluage.
Le fluage tertiaire se produit lorsque la contrainte réelle dépasse la limite d'élasticité. Ou lorsqu'une altération de la microstructure du matériau, telle que la cavitation, entraîne des fractures.
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Questions Fréquemment Posées
Q1 : Qu'est-ce que le fluage et quelles en sont les causes ?
Le fluage est un processus de déformation lente sous contrainte constante. Il se produit lorsque les matériaux sont exposés à des températures élevées. Une contrainte prolongée proche ou supérieure à la limite d'élasticité contribue également au fluage.
Q2 : Quel est un exemple de matériau fluable ?
L'acier et les superalliages sont des exemples typiques de matériaux fluables. Les polymères comme le nylon et le polyéthylène peuvent également fluer lorsqu'ils sont exposés à des contraintes et des températures élevées.
Q3 : À quoi est le plus souvent dû le fluage ?
Le fluage est causé par une exposition prolongée à des températures élevées. Une contrainte proche ou supérieure à la limite d'élasticité du matériau accélère le fluage au fil du temps.
Q4 : Comment est calculé le taux de fluage à l'état stationnaire ?
La vitesse de fluage à l'état stationnaire est calculée en mesurant la déformation au cours du temps. Elle est exprimée comme la quantité de déformation se produisant par unité de temps.
Q5 : Pourquoi l’usinage de l’acier sur mesure est-il essentiel pour la résistance au fluage ?
Personnalisé usinage de l'acier Aide à contrôler la granulométrie et la structure du matériau. La résistance au fluage des aciers dépend de l'alliage (par exemple, Cr, Mo), du traitement thermique et de la stabilisation du carbure, et pas seulement de l'usinage.
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