Faciès de rupture et analyse de défaillance métallurgique
Les matériaux métalliques, utilisés dans une grande variété de produits, sont voués à se rompre avec le temps sous l’effet des conditions environnementales. Seules l’observation de coupes métallographiques et l’analyse précise des faciès de rupture (fractographie) vous permettront d’identifier les causes d’une rupture.
Dans les industries automobile et aérospatiale notamment, où la sécurité est un enjeu majeur, la qualité des matériaux est un facteur essentiel pour garantir et améliorer la sûreté des produits.
Dans cette section, vous découvrirez les différentes méthodes d’analyse de la défaillance métallurgique et les caractéristiques des faciès et surfaces de rupture. Vous retrouverez également des exemples d’utilisation du microscope numérique 4K pour résoudre les problèmes de l’analyse de défaillance métallurgique.
- Causes de rupture révélées par les surfaces de rupture des pièces métalliques
- Types de fractographie
- Faciès de rupture des matériaux métalliques
- Problèmes de l’analyse de défaillance métallurgique et leurs solutions
- Améliorer et rationaliser l’analyse de défaillance métallurgique
Causes de rupture révélées par les surfaces de rupture des pièces métalliques
Les matériaux métalliques, tels que l’acier, le cuivre et les alliages d’aluminium sont utilisés dans une grande variété de produits, de l'électroménager aux jouets, en passant par les infrastructures et équipements électriques.
Depuis quelques années, de nombreuses industries, notamment l’automobile et l’aérospatial, s’ingénient à développer des matériaux aux performances toujours améliorées. Ces innovations ont pour objectif de produire des matériaux toujours plus petits et plus légers, tout en étant plus rigides, afin de gagner en efficacité énergétique et de réduire les coûts de fabrication et d'usinage. Sur une voiture, un avion, un navire, un wagon ou une navette spatiale habitée, la rupture d’un matériau métallique peut mettre en péril des vies humaines. Une sélection rigoureuse du matériau et une conception de sécurité basée sur des calculs fiables et précis sont ainsi indispensables.
Lors de la sélection des matériaux métalliques, divers essais sont réalisés pour tester leur résistance.
Les méthodes d’essai les plus répandues sont les suivantes.
- Essais mécaniques :
- Essai de traction, essai de flexion, essai de compression, essai de cisaillement, essai de fluage, essai de résistance à l’usure, etc.
- Essais de dureté :
- Essai de dureté par pénétration, essai de dureté dynamique
- Essais chimiques :
- Essai de corrosion
Ces essais, ainsi que l’observation de la structure (fractographie) des surfaces de rupture des matériaux métalliques après usage du produit final, servent à identifier les causes de rupture et les propriétés de base des matériaux à des fins d’évaluation, de sélection ou d’amélioration.
Types de fractographie
La fractographie étudie de quelle manière le matériau métallique s’est rompu (forme de la surface de rupture ou faciès de rupture) via l’observation de sa structure pour déterminer les principales causes à partir de différents aspects, tels que la nature du matériau, la méthode de fabrication, le profil et les conditions d'utilisation. Parmi les différentes méthodes disponibles pour observer la structure d’une surface de rupture, voici les méthodes de fractographie les plus répandues pour les matériaux métalliques.
Observation macroscopique
L’observation macroscopique est une méthode d’analyse réalisée, par exemple, à l'œil nu, à la loupe à faible grossissement ou au microscope stéréoscopique. L’observation peut facilement être réalisée directement sur site dès l’apparition de la rupture et permet de déterminer grossièrement la cause à partir du type de rupture, de la présence de rides, etc. Cependant, la seule observation macroscopique ne suffit pas à déterminer avec précision la cause de la rupture.
Observation microscopique
L’observation microscopique étudie des caractéristiques microscopiques grâce à l’observation de la structure d’une surface de rupture, au moyen, par exemple, d’un microscope optique ou d’un microscope à balayage électronique (SEM). Cette observation vous permet d’examiner en détail le faciès de rupture en capturant plusieurs caractéristiques de la surface de rupture, telles que les dépressions et stries.
Faciès de rupture des matériaux métalliques
Les faciès de rupture (formes de rupture) se divisent en plusieurs catégories : rupture ductile (plasticité), rupture fragile, rupture de fatigue et rupture environnementale. Pour chaque faciès, des caractéristiques bien distinctes sont observables aux niveaux macroscopique et microscopique pour déterminer la cause de la rupture. Retrouvez ci-dessous la description et les caractéristiques de chaque faciès de rupture.
Rupture ductile (plasticité)
La rupture ductile (plasticité) est observée sur de nombreux matériaux métalliques et montre une large déformation, telle qu’un étirement et une striction qui se prolongent jusqu’à la rupture. L’observation de la structure révèle les caractéristiques et détails de faciès de rupture suivants.
- Caractéristiques de la surface de rupture
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- Observation macroscopique :
- Lèvre de cisaillement (rupture de cisaillement, extrémité de la rupture), blanc grisâtre et terne
- Observation microscopique :
- Dépression isométrique (rupture de traction), dépression étirée (rupture de cisaillement), lignes obliques (rupture par clivage)
Rupture fragile :
Une rupture fragile montre des fissures à propagation rapide avec une moindre déformation plastique. La propagation des fissures empêche toute déformation plastique autour de la surface de rupture. En règle générale, les ruptures fragiles se produisent sur les matériaux à base d’acier au cours d’un usage normal. Dans de nombreux cas, la surface de rupture se compose de plusieurs surfaces en semi-clivage, caractéristiques des aciers soumis à un traitement thermique et des aciers de construction situés dans des environnements particulièrement froids.
- Caractéristiques de la surface de rupture
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- Observation macroscopique :
- Reflet brillant blanc argenté, motif en chevrons (rupture transgranulaire rapide), fissures à propagation radiale
- Observation microscopique :
- Surface de rupture en semi-clivage, motif de rivière, rupture granulaire, rupture complexe
Rupture de fatigue
Une rupture de fatigue montre une propagation progressive des fissures sous l’effet d’une contrainte répétée. Plus de 70 % des faciès de rupture observés sur les structures mécaniques découleraient d’une rupture de fatigue.
L’aspect de la surface de rupture du matériau ne montre aucun étirement et aucune striction, tout comme lors d’une rupture fragile, mais l’observation microscopique révèle une importante déformation plastique.
La surface de rupture est généralement lisse, comparée aux surfaces des autres faciès de rupture, et des rides (motif conchoïdal) sont observées au niveau macroscopique. L’aspect de ces rides vous permet de déterminer où a commencé la rupture et dans quelle direction la fissure s’est propagée.
Au niveau microscopique, un motif à lignes obliques appelées stries est généralement observé. Le motif strié est perpendiculaire à la direction de propagation de la fissure et se produit facilement sur les alliages d’aluminium et les alliages de cuivre mais pas sur les alliages ferreux.
- Caractéristiques de la surface de rupture
-
- Observation macroscopique :
- Rides (motif conchoïdal), marques dentelées (plusieurs points de concentration de la contrainte), œil de poisson (point de départ de la rupture), fissures à propagation radiale
- Observation microscopique :
- Stries (correspondant au cycle de contrainte), motif effet strié (ne correspondant pas au cycle de contrainte), fissures secondaires, marques de frottement ou ruptures sans caractéristique
Rupture environnementale
Une rupture environnementale se produit lorsque des fissures se développent sous l’effet d’un environnement corrosif. Cette rupture peut ainsi se produire même en cas de contrainte externe extrêmement faible.
Les ruptures environnementales les plus communes sont la fragilisation par l’hydrogène et la fissuration de corrosion sous contrainte.
- Fragilisation par l’hydrogène
- La fragilisation par l’hydrogène est également appelée rupture différée et s’observe généralement sur les matériaux à base d’acier. Ce phénomène (fragilisation) est causé par la pénétration d’hydrogène dans le matériau. Cette pénétration est souvent le résultat d’un procédé de fabrication du matériau, tel que le soudage et la galvanoplastie, ou d’une réaction à la corrosion dans l’environnement d’utilisation.
- Fissuration de corrosion sous contrainte
- Cette fissuration est généralement accidentelle et se produit sur les aciers inoxydables austénitiques. Les ruptures transgranulaires, notamment, apparaissent dans les environnements chargés d’ions C1. En revanche, les ruptures aux limites de grain concernent les matériaux autres que l’acier inoxydable : cuivre pur, laiton, alliages d’aluminium, etc.
- Caractéristiques de la surface de rupture
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- Fragilisation par l’hydrogène
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- Observation macroscopique :
- Reflet brillant blanc argenté
- Observation microscopique :
- Rupture granulaire, motif brossé
- Fissuration de corrosion sous contrainte
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- Observation macroscopique :
- Reflets partiels, rouille/décoloration
- Observation microscopique :
- Rupture granulaire, motif en plumage
- Rupture à haute température
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- Observation macroscopique :
- —
- Observation microscopique :
- Rupture granulaire, dépression, enfoncement
Problèmes de l’analyse de défaillance métallurgique et leurs solutions
Comme expliqué précédemment, l’observation des surfaces de rupture au niveau non seulement macroscopique mais également microscopique, vous permet d’identifier le faciès de rupture afin d’en déterminer la cause et les conditions.
Pour une fractographie encore plus fiable, vous pouvez capturer n’importe quel faciès de rupture en haute définition grâce à notre microscope numérique 4K, doté d’une technologie optique, d’un capteur d’image (CMOS) et d’un système de traitement d’image haut de gamme.
Retrouvez, dans cette section, des exemples d’analyses de défaillance métallurgique avec le microscope numérique ultra-haute définition 4K Série VHX de KEYENCE.
Élimination des reflets sur la surface de rupture d’une pièce métallique
Avec le microscope numérique 4K Série VHX
La fonction d'élimination des reflets élimine la réflexion parasite, pour capturer avec précision les fissures les plus infimes de la surface de rupture.
Image entièrement nette de la totalité de la cible même sur les surfaces de rupture irrégulières
Avec le microscope numérique 4K Série VHX
La fonction de composition en profondeur en direct permet de capturer une image entièrement nette de la totalité de la surface de rupture. Vous n’avez plus à ajuster encore et encore la mise au point et pouvez observer et évaluer les caractéristiques hétéroclites de la surface de rupture.
Analyse détaillée indépendamment de l’inclinaison et des ombres
Avec le microscope numérique 4K Série VHX
La fonction d’éclairage multiple, qui capture automatiquement les données sous différents éclairages d’une simple pression sur un bouton, vous permet de sélectionner l’image optimale pour l’observation.
Même après sélection ou exportation d’une image capturée, les données d’image sous chaque éclairage sont conservées sur votre PC. Vous pouvez ainsi charger une image sous un éclairage différent en quelques clics de souris.
Observation précise des formes minuscules des faciès subtils
Avec le microscope numérique 4K Série VHX
Le mode d'accentuation des ombres, une nouvelle méthode d’observation qui allie un objectif haute résolution spécialement conçu, un capteur d’image CMOS 4K et un éclairage avancé, analyse le contraste de l’image capturée en faisant varier l’éclairage.
Cette méthode permet d’observer en détail les irrégularités les plus infimes de la surface de rupture. Les données d’irrégularité peuvent également être affichées en différentes couleurs en combinant une image en mode effet d’ombre optique avec des informations de couleur.
Améliorer et rationaliser l’analyse de défaillance métallurgique
Comme expliqué précédemment, le microscope numérique haute définition 4K Série VHX facilite l’observation des surfaces de rupture des pièces métalliques.
Grâce à la Série VHX, l’analyse de défaillance métallurgique est exécutée en un temps record, contribuant ainsi à accélérer le cycle d’amélioration de la qualité et la phase de R&D. De plus, la Série VHX peut enregistrer les données d’image qui affichent clairement les caractéristiques de la surface de rupture, vous permettant de sélectionner et d’améliorer de façon optimale le matériau par comparaison et analyse des tendances passées.
Équipée de nombreuses autres fonctions avancées, la Série VHX est un formidable outil pour rationaliser la fractographie et l'observation de la structure, deux étapes essentielles pour rester à la pointe dans le domaine de la R&D. Pour en savoir plus, cliquez sur le bouton ci-dessous pour télécharger le catalogue. Pour toute demande, cliquez sur l’autre bouton pour contacter KEYENCE.
