Ductilité
Certains matériaux se cassent très nettement, sans déformation plastique, dans ce qu’on appelle une rupture fragile. D’autres, plus ductiles, dont la plupart des métaux, subissent une certaine déformation plastique et éventuellement un rétrécissement avant la rupture. En science des matériaux, la ductilité est la capacité d’un matériau à subir d’importantes déformations plastiques avant la rupture et c’est l’une des caractéristiques très importantes que les ingénieurs prennent en compte lors de la conception. La ductilité peut être exprimée en pourcentage d’allongement ou en pourcentage de réduction de surface par rapport à un essai de traction. La ductilité est un facteur important pour permettre à une structure de survivre à des charges extrêmes, telles que celles dues à de grands changements de pression, à des tremblements de terre et à des ouragans, sans connaître une défaillance ou un effondrement soudain. Elle est définie comme suit :
Dans le cas d’un essai de traction, la ductilité est mesurée par un pourcentage de réduction de la surface. Elle mesure l’importance du rétrécissement (ou de la modification de l’aire de la section transversale) qui se produit avant la rupture ultime, comme suit :
Il est possible de distinguer certaines caractéristiques communes parmi les courbes de contrainte-déformation de divers groupes de matériaux. Sur cette base, il est possible de diviser les matériaux en deux grandes catégories ; à savoir :
- Matériaux ductiles. La ductilité est la capacité d’un matériau à s’allonger en tension. Un matériau ductile se déforme (s’allonge) davantage qu’un matériau fragile. Les matériaux ductiles présentent une grande déformation avant la rupture. Dans le cas d’une fracture ductile, une déformation plastique importante (colletage) a lieu avant la rupture. La rupture ductile (rupture par cisaillement) est préférable à la rupture fragile, car elle se propage lentement et absorbe une grande quantité d’énergie avant la rupture. La ductilité est souhaitable dans les applications à haute température et à haute pression des centrales nucléaires en raison des contraintes supplémentaires imposées aux métaux. Une ductilité élevée dans ces applications aide à prévenir les fractures fragiles.
- Matériaux fragiles. Les matériaux fragiles, lorsqu’ils sont soumis à des contraintes, se brisent avec peu de déformation élastique et sans déformation plastique significative. Les matériaux fragiles absorbent relativement peu d’énergie avant la rupture, même ceux qui ont une résistance élevée. Lors d’une fracture fragile (clivage transgranulaire), aucune déformation plastique apparente n’a lieu avant la rupture. Les fissures se propagent rapidement.
La distinction entre fragilité et ductilité n’est pas évidente, notamment parce que la ductilité et le comportement fragile dépendent non seulement du matériau en question mais aussi de la nature et du type de contrainte, du taux de chargement (usure par fatigue) et de la température (transition ductile-fragile). La figure suivante montre une courbe typique de contrainte-déformation d’un matériau ductile et d’un matériau fragile. Un matériau ductile est un matériau dont la résistance est faible et la région plastique importante. Le matériau supportera plus de déformation avant de se rompre. Un matériau fragile est un matériau où la région plastique est petite et la résistance du matériau est élevée. L’essai de traction fournit trois données descriptives sur un matériau. Il s’agit de la contrainte à laquelle commence la déformation plastique observable ou « cédage », de la résistance à la traction ultime ou de l’intensité maximale de la charge qui peut être supportée en tension, et du pourcentage d’allongement ou de déformation (la quantité de matériau qui s’étire) et de la réduction correspondante en pourcentage de la section transversale causée par l’étirement. Le point de rupture ou de fracture peut également être déterminé.
Ductilité et ténacité
La ductilité est plus communément définie comme la capacité d’un matériau à se déformer facilement lors de l’application d’une force de traction, ou comme la capacité d’un matériau à supporter une déformation plastique sans rupture. La ductilité peut également être envisagée en termes de pliabilité et d’écrasabilité. En général, si deux matériaux ont la même résistance et la même dureté, celui qui a la plus grande ductilité est plus souhaitable. La ductilité de nombreux métaux peut changer si les conditions sont modifiées. Une augmentation de la température accroît la ductilité. Une diminution de la température entraîne une diminution de la ductilité et un passage d’un comportement ductile à un comportement cassant. La rupture ductile (rupture par cisaillement) est préférable à la rupture fragile, car elle se propage lentement et absorbe une grande quantité d’énergie avant la rupture. La ductilité est souhaitable dans les applications à haute température et à haute pression des centrales nucléaires en raison des contraintes supplémentaires imposées aux métaux. Une ductilité élevée dans ces applications permet d’éviter les ruptures fragiles. La ductilité contribue également à une autre propriété du matériau appelée ténacité. La ténacité combine la résistance et la ductilité en une seule propriété mesurable et nécessite un équilibre entre la résistance et la ductilité.
La ténacité est la capacité d’un matériau à absorber l’énergie et à se déformer plastiquement sans se fracturer. Une définition de la ténacité (ou plus précisément de la ténacité à la rupture) est qu’il s’agit d’une propriété indicative de la résistance d’un matériau à la rupture lorsqu’une fissure (ou un autre défaut concentrant les contraintes) est présente. La ténacité est généralement mesurée par l’essai Charpy ou l’essai Izod. L’essai d’impact mesure la ténacité dans des conditions de charge soudaine et en présence de défauts tels que des entailles ou des fissures qui concentrent les contraintes aux points faibles. La ténacité peut également être définie par rapport aux régions d’un diagramme contrainte-déformation. La ténacité est liée à l’aire sous la courbe contrainte-déformation. La courbe contrainte-déformation mesure la ténacité sous une charge progressivement croissante. Pour être résistant, un matériau doit être à la fois solide et ductile. La figure suivante montre une courbe contrainte-déformation typique d’un matériau ductile et d’un matériau fragile. Par exemple, les matériaux fragiles (comme les céramiques) qui sont solides mais dont la ductilité est limitée ne sont pas résistants ; inversement, les matériaux très ductiles mais peu résistants ne sont pas non plus résistants. Pour être résistant, un matériau doit supporter à la fois des contraintes et des déformations élevées.
Température de transition ductile-fragile
Comme on l’a écrit, la distinction entre fragilité et ductilité n’est pas évidente, notamment parce que les comportements ductiles et cassants dépendent non seulement du matériau en question mais aussi de la température (transition ductile-fragile) du matériau. L’effet de la température sur la nature de la rupture est d’une importance considérable. De nombreux aciers présentent une rupture ductile à haute température et une rupture fragile à basse température. La température au-dessus de laquelle un matériau est ductile et au-dessous de laquelle il est fragile est connue sous le nom de température de transition ductile-fragile (TCDF), température de ductilité nulle (TND) ou température de transition de ductilité nulle. Cette température n’est pas précise, elle varie en fonction du traitement mécanique et thermique préalable et de la nature et des quantités d’éléments d’impureté. Elle peut être déterminée par une certaine forme d’essai de chute (par exemple, les essais Charpy ou Izod).
La température de transition ductile-fragile (TCDF) est la température à laquelle l’énergie de rupture passe en dessous d’une valeur prédéterminée (par exemple, 40 J pour un essai de choc Charpy standard). La ductilité est une exigence essentielle pour les aciers utilisés dans la construction des composants du réacteur, tels que la cuve du réacteur. Par conséquent, le DBTT est important pour le fonctionnement de ces cuves. Dans ce cas, la taille du grain détermine les propriétés du métal. Par exemple, une taille de grain plus petite augmente la résistance à la traction, tend à augmenter la ductilité et entraîne une diminution du DBTT. La taille des grains est contrôlée par le traitement thermique dans les spécifications et la fabrication des cuves de réacteur. Le DBTT peut également être abaissé par de petites additions d’éléments d’alliage sélectionnés, tels que le nickel et le manganèse, aux aciers à faible teneur en carbone.
Typiquement, les aciers faiblement alliés des cuves sous pression des réacteurs sont des aciers ferritiques qui présentent le comportement classique de transition ductile-fragile avec la diminution de la température. Cette température de transition est de la plus haute importance pendant le chauffage de la centrale.
Modes de défaillance :
- Région de faible ténacité : Le principal mode de rupture est la fracture fragile (clivage transgranulaire). Dans la fracture fragile, aucune déformation plastique apparente n’a lieu avant la rupture. Les fissures se propagent rapidement.
- Région de haute ténacité : Le principal mode de rupture est la fracture ductile (fracture de cisaillement). Dans la fracture ductile, une déformation plastique importante (colletage) a lieu avant la rupture. La fracture ductile est meilleure que la fracture fragile, car il y a une propagation lente et une absorption d’une grande quantité d’énergie avant la rupture.
Dans certains matériaux, la transition est plus nette que d’autres et nécessite généralement un mécanisme de déformation sensible à la température. Par exemple, dans les matériaux avec un réseau cubique centré (bcc), le DBTT est facilement apparent, car le mouvement des dislocations en vis est très sensible à la température, car le réarrangement du noyau de dislocation avant le glissement nécessite une activation thermique. Cela peut être problématique pour les aciers à forte teneur en ferrite. Ce phénomène a entraîné une fissuration importante de la coque des navires Liberty dans les eaux froides pendant la Seconde Guerre mondiale, provoquant de nombreux naufrages. Les navires étaient construits dans un alliage d’acier qui présentait une ténacité adéquate selon les essais de traction à température ambiante. Les fractures fragiles se sont produites à des températures ambiantes relativement basses, à environ 4°C (40°F), au voisinage de la température de transition de l’alliage. Il faut noter que les métaux FCC à faible résistance (par exemple, les alliages de cuivre) et la plupart des métaux HCP ne connaissent pas de transition ductile-fragile et conservent leur résistance même à des températures plus basses. D’autre part, de nombreux métaux à haute résistance (par exemple, les aciers à très haute résistance) ne connaissent pas non plus de transition ductile-fragile, mais, dans ce cas, ils restent très cassants.
La DBTT peut également être influencée par des facteurs externes tels que le rayonnement neutronique, qui entraîne une augmentation des défauts internes du réseau et une diminution correspondante de la ductilité et une augmentation de la DBTT.
Fragilisation par irradiation
Lors de l’exploitation d’une centrale nucléaire, le matériau de la cuve de pression du réacteur et le matériau des autres internes du réacteur sont exposés au rayonnement neutronique (notamment aux neutrons rapides >0,5MeV), ce qui entraîne une fragilisation localisée de l’acier et des soudures dans la zone du cœur du réacteur. Ce phénomène, connu sous le nom de fragilisation par irradiation, entraîne une augmentation constante de la TCDT. Il est peu probable que la TCDT s’approche de la température normale de fonctionnement de l’acier. Cependant, il est possible qu’au moment de l’arrêt du réacteur ou lors d’un refroidissement anormal, la température tombe en dessous de la valeur de la TCDT alors que la pression interne est encore élevée. C’est pourquoi les régulateurs nucléaires exigent qu’un programme de surveillance des matériaux de la cuve du réacteur soit mené dans les réacteurs de puissance refroidis à l’eau.
Voir aussi : Réflecteur de neutrons
La fragilisation par irradiation peut entraîner une perte de ténacité à la rupture. Généralement, les aciers faiblement alliés de la cuve sous pression des réacteurs sont des aciers ferritiques qui présentent le comportement classique de transition ductile-fragile avec la diminution de la température. Cette température de transition est de la plus haute importance pendant le chauffage de l’installation.
Modes de défaillance :
- Région de faible ténacité : Le principal mode de rupture est la fracture fragile (clivage transgranulaire). Dans la fracture fragile, aucune déformation plastique apparente n’a lieu avant la rupture. Les fissures se propagent rapidement.
- Région de haute ténacité : Le principal mode de rupture est la fracture ductile (fracture de cisaillement). Dans la fracture ductile, une déformation plastique importante (colletage) a lieu avant la rupture. La fracture ductile est meilleure que la fracture fragile, car il y a une propagation lente et une absorption d’une grande quantité d’énergie avant la fracture.
L’irradiation neutronique a tendance à augmenter la température (température de transition ductile-fragile) à laquelle cette transition se produit et a tendance à diminuer la ténacité ductile.