Endommagement

Endommagement
Page d'aide sur les redirections Cet article concerne l'acception physique des dommages. Pour le sens juridique, voir dommage (droit).

L'endommagement est l'apparition dans un matériau de dommages causés par l'usure ou une attaque physique ou chimique. Il conduit à une dégradation de ses capacités physiques pouvant conduire à la rupture.

Sommaire

Mise en situation historique (cas particulier endommagement de matériaux)

Sinistre sur une plage de Floride lié au passage de l'ouragan Dennis, 2005.

La mesure de lendommagement des matériaux

Définition dun dommage associé à une défaillance

A mesure que les événements physiques se succèdent, la capacité dun système physique à les supporter diminue et le dommage subi augmente.

Le dommage, ou le niveau dendommagement, est un nombre qui caractérise le degré davancement de la dégradation qui précède une défaillance. Historiquement cette notion a été introduite lors de létude de la fatigue des matériaux. Les défaillances sont dans ce cas des ruptures (traction, torsion, flexion...).

Une défaillance est un dysfonctionnement dont lorigine et la nature sont bien déterminés. Exemples : rupture dune pièce en un site localisé, usure dune région particulière dune surface,... Une même pièce peut avoir plusieurs défaillances. Pour un système complexe, les défaillances sont celles de chacune de ses pièces ainsi que celles associées à lassemblage des diverses parties.

Nous verrons plus loin quon peut aussi définir le dommage causé par un événement : cest la contribution de cet événement au dommage de la défaillance considérée. Les principes de Miner qui seront exposés permettent de mesurer et dadditionner les dommages.

Un système complexe a en général de nombreuses défaillances envisageables. Lendommagement dun système doit donc être caractérisé par plusieurs dommages, plusieurs nombres, un pour chaque défaillance considérée.

Dommage et propriétés physiques

Un niveau dendommagement peut être relié directement à des propriétés physiques parce que lendommagement est caractérisé par des modifications en principe observables :

  • Les microdéformations, laugmentation de la densité des dislocations, la dégradation des surfaces, les microfissures, les microcavités, la corrosion, le vieillissement par relaxation, … tous ces phénomènes sont observables, mais parfois ils sont difficiles à mettre en évidence, et ils ne permettent pas toujours de définir aisément un dommage.
  • Dans certains cas, il est facile de mesurer une grandeur caractéristique de lendommagement : lusure dune surface est mesurée par lépaisseur de matériau disparu, …
  • Pour certains matériaux, certaines grandeurs physiques mesurables (tension de rupture, conductivités thermique, électrique, … ) peuvent varier en fonction de lendommagement subi.

Dégradations irréversibles ou mécanismes autoréparateurs ?

Pour les systèmes construits par lhomme, on suppose en général que les dommages sont irréversibles. À de rares exceptions près, ces systèmes ne sont pas conçus pour réparer spontanément les dégradations subies. Les effets des événements endommageants sajoutent les uns aux autres, mais jamais le système ne revient en arrière, ne retrouve létat intact quil avait au début de sa mise en service, sauf bien sûr en cas dintervention humaine. La méthode contrainte-résistance suppose toujours que lon doit cumuler les dommages, cest pourquoi elle nest pas adaptée à létude des êtres vivants, qui eux sont très généralement dotés de mécanismes autoréparateurs.

Le cumul des dommages : les principes de Miner

Les essais de fatigue en laboratoire consistent généralement à répéter une même sollicitation un grand nombre de fois. Dans ce cas, il est facile de définir un dommage : cest le nombre de répétitions de lévénement endommageant depuis le début de lessai.

Dans le cas général, il y a plusieurs événements endommageants, qui diffèrent les uns des autres par la grandeur des contraintes subies et par dautres paramètres. Miner a proposé deux principes qui permettent de cumuler les dommages.

  • Le dommage causé par une occurrence dun événement est mesuré par linverse 1/N du nombre N de fois quil faut répéter cet événement pour mener la pièce de létat neuf jusquà la défaillance.
  • Le dommage causé par une succession dévénements est la somme des dommages causés par chacun deux.

Remarquons que ces deux principes sont cohérents. Si lon suppose quun même événement cause toujours le même dommage et si lon impose comme unité de dommage le dommage qui conduit le système jusquà la défaillance alors le premier principe est une conséquence du second.

Si 1 / NA est le dommage de lévénement A et si nA est le nombre doccurrences de cet événement au cours dun essai ou dune utilisation du système alors le dommage total D causé par tous les événements A, relativement à une défaillance, est défini par l'équation de Miner :

D = nA / NA

Avec cette définition, le dommage cumulé est égal à 1 au moment la pièce se rompt. Il faut nuancer cette affirmation : des pièces apparemment identiques soumises aux mêmes sollicitations se rompent en général au bout de nombres de cycles différents. La dispersion des durées de vie peut être très importante. On trouve par expérience que les durées de vie peuvent varier dun facteur 5 ou 10 pour des pièces issues dun même lot de production. Il faut donc préciser davantage la formulation de la règle de Miner : sil faut en moyenne NA répétitions de lévénement A pour quune défaillance survienne alors le dommage causé par une occurrence de A est mesuré par 1 / NA.

Les principes de Miner permettent de définir le dommage causé par un événement et affirment que pour cumuler les dommages, il suffit de les additionner. Ils imposent en outre le choix de lunité de dommage. Remarquons quil est toujours possible de changer dunité. Par exemple, lorsquil y a un seul événement endommageant, il est naturel de choisir comme unité de dommage le dommage causé par une occurrence de cet événement.

Les principes de Miner permettent détablir légalité des endommagements produits par des événements de natures différentes. En particulier, ils permettent de préciser quand un petit nombre dévénements de grande amplitude produit un endommagement égal à un grand nombre dévénements de faible amplitude. Cela revêt une grande importance lorsquil faut définir un essai aussi court que possible.

La validité des principes de Miner est discutable

Les principes de Miner ne tiennent pas compte de la chronologie des événements. Cela peut conduire à des erreurs dévaluation du dommage : il se peut quun événement ordinairement peu endommageant soit très endommageant sil est précédé par certains événements particuliers.

En outre, un même événement endommageant peut solliciter plusieurs défaillances. Lorsque les divers modes ne sont pas indépendants les uns des autres, cest-à-dire lorsque la dégradation dune partie accélère ou ralentit la dégradation des autres parties, lapplication des principes de Miner conduit à des erreurs dévaluation. Cependant cet effet a peu dincidence dans de nombreux cas : pour un mode de dégradation par fissuration, la majeure partie de lendommagement (90 voire 99%) se traduit par le développement dune microfissure. Comme cette dégradation est de taille réduite elle modifie peu la capacité de la pièce à remplir sa fonction et na donc que peu dincidence sur les autres modes de dégradation.

Lorsque les missions sont prévisibles, il est possible détudier le risque dune défaillance à chaque instant de la mission sans recourir aux principes de Miner : il suffit détudier les effets de tous les événements dans lordre dans lequel ils surviennent.

Lorsque les missions ne sont pas prévisibles, lorsquil nest pas possible détablir la chronologie des événements rencontrés par le système, létude des risques de défaillance doit passer par un calcul du cumul des dommages semblable à celui défini par Miner. Létude ainsi conduite na quune valeur approximative. En principe, elle devrait être complétée par un examen des effets particuliers qui dépendent de la chronologie des événements.

Les lois dendommagement peuvent être représentées par des courbes de Wöhler

Soit une famille dévénements E(x) qui dépendent dun paramètre x. Pour déterminer le dommage causé par un événement E(x), il faut déterminer le nombre N(x) de répétitions de cet événement qui conduisent à une défaillance. La courbe définie par N(x) pour toutes les valeurs de x est une courbe de Wöhler . La loi qui permet de déterminer N(x) en fonction de x est une loi dendommagement.

Par exemple, un événement E(x) est une traction transitoire de forme sinusoïdale et x est le maximum de la contrainte appliquée (contrainte est ici pris au sens dune force par unité de surface).

Traditionnellement, une courbe de Wöhler est représentée sur un graphe dont laxe des ordonnées est laxe des x et laxe des abscisses est laxe des N(x). Celui-ci est en général un axe logarithmique.

Pour la plupart des métaux et pour dautres matériaux, une partie substantielle de la courbe de Wöhler est proche dun segment de droite, lorsque laxe des N(x) est logarithmique. La pente de cette droite est un indicateur de la sensibilité de lendommagement vis-à-vis du paramètre x.

La relation de Basquin, N(x) = C / xb , C et b sont des constantes, est une loi dendommagement dun usage très général. Pour les métaux et particulièrement les aciers, elle rend bien compte des résultats expérimentaux lorsque x est la valeur crête (maximale) de la contrainte appliquée et lorsque N(x) est compris entre quelques dizaines de milliers et quelques millions. b est très souvent compris entre 7 et 10.

Pour déterminer un point de la courbe de Wöhler, il faut en général faire plusieurs essais : des pièces identiques soumises au même événement endommageant E(x) ont des durées de vie N(x) différentes. La dispersion des durées de vie peut être assez large. La détermination dun point de la courbe de Wöhler consiste à évaluer la moyenne de ces durées de vie. Comme cela peut demander beaucoup dessais, il faut souvent se contenter de mesurer quelques points. Si lon sait davance que la courbe de Wöhler est une droite, dans la région à laquelle on sintéresse, il suffit de mesurer deux points.

Lorsquun événement endommageant E(x,y,…) dépend de plusieurs paramètres x,y,… une loi dendommagement consiste à déterminer N(x,y,…) en fonction de ces paramètres. Elle peut être représentée par une nappe de Wöhler. Par exemple, un événement E(x,y) est une traction transitoire de forme sinusoïdale, x est le maximum de la contrainte appliquée, y est la moyenne de la contrainte appliquée.

Pour cumuler avec les principes de Miner les dommages de divers événements i qui dépendent de paramètres, il faut connaître les coefficients dendommagement 1 / Ni de ces événements, il faut donc connaître les lois dendommagement.

La durée de vie peut dépendre de lamplitude des grandeurs physiques dune façon très sensible

Supposons que la relation de Basquin rende bien compte des résultats expérimentaux avec b=8 et calculons leffet dune augmentation de 20% de lamplitude des forces appliquées. On trouve que la durée de vie moyenne est divisée par (1,2)8 = 4 à peu près.

Chronologie abrégée de la découverte de la fatigue des matériaux

La mesure des dommages par les physiciens a dabord été développée à partir de létude de la fatigue des matériaux.

Les propriétés des aciers étaient bien caractérisées. On savait mesurer en particulier la contrainte de rupture et le seuil délasticité.

Un corps subit une déformation élastique lorsquil revient à sa forme initiale après avoir été déformé. Iloubliela déformation. Le seuil délasticité est la contrainte (ici cest une force par unité de surface) à partir de laquelle la déformation cesse dêtre élastique.

La dimension des pièces dacier était choisie de telle façon que les contraintes de service ne dépassent jamais (dassez loin, par sécurité) le seuil délasticité.

Or des accidents de chemin de fer ont montré que des essieux pouvaient casser alors même que le seuil délasticité navait jamais été approché. Cest très paradoxal. Les déformations étant élastiques, les barres dacier devraient toujours revenir à leur état initial et donc ne jamais vieillir. La corrosion nétait pas en cause. Il sagissait dun mode de dégradation inconnu jusqualors et paradoxal parce quil suggérait quun grand nombre de fois zéro pourrait avoir des effets catastrophiques.

La plasticité , définie au-delà de la limite d'élasticité, ne peut survenir pour un chargement hydrostatique(chargement par immersion dans un fluide sous pression par exemple). C'est la raison de la formulation du critères de plasticité de Von Mises , critère basé sur le second invariant du déviateur de contrainte. En revanche, un chargement hydrostatique permanent combiné à un chargement alterné peut endommager un matériau par fatigue: les critères de fatigue font donc intervenir la trace du tenseur de contrainte moyen. C'est la raison du paradoxe évoqué ci-dessus, la fatigue et la plasticité donnent des endommagements de nature différente.

Article connexe


Wikimedia Foundation. 2010.

Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Endommagement de Wikipédia en français (auteurs)

Игры ⚽ Поможем решить контрольную работу

Regardez d'autres dictionnaires:

  • endommagement — [ ɑ̃dɔmaʒmɑ̃ ] n. m. • XIIIe; de endommager ♦ Action d endommager; son résultat. ⇒ détérioration. ● endommagement nom masculin Action d endommager ; fait d être endommagé : L endommagement d une peinture. Formation de microfissures ou de… …   Encyclopédie Universelle

  • endommagement — Mort et destruction et endommagement de quelque chose que ce soit, Pernicies. Avec endommagement, Perniciose …   Thresor de la langue françoyse

  • endommagement — (an do ma je man) s. m. Action d endommager ; résultat de cette action. HISTORIQUE    XVIe s. •   Endommagement, COTGRAVE . ÉTYMOLOGIE    Endommager …   Dictionnaire de la Langue Française d'Émile Littré

  • endommagement — pažaida statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. damage; fault vok. Beschädigung, f; Fehler, m; Schaden, m; Schädigung, f; Störung, f rus. повреждение, n pranc. défaillance, f; défaut, m; endommagement, m; incident, m; panne, f …   Automatikos terminų žodynas

  • endommagement — sugadinimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. damage vok. Beschädigung, f rus. повреждение, n pranc. endommagement, m …   Automatikos terminų žodynas

  • Plasticité et endommagement des polymères — Pour les articles homonymes, voir Plasticité (homonymie). Les polymères sont des matériaux complexes dont le comportement face à la pression varie : sous de faibles contraintes, ils réagissent en se déformant de manière élastique et… …   Wikipédia en Français

  • région d'endommagement — ardomoji sritis statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. damage area vok. Beschädigungsbereich, m rus. область разрушения, f pranc. région d endommagement, f; zone d endommagement, f …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • zone d'endommagement — ardomoji sritis statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. damage area vok. Beschädigungsbereich, m rus. область разрушения, f pranc. région d endommagement, f; zone d endommagement, f …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • probabilité d'endommagement — pažaidos tikimybė statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. damage probability vok. Beschädigungswahrscheinlichkeit, f rus. вероятность повреждения, f pranc. probabilité de destruction, f; probabilité d endommagement, f …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • Dommage (Physique) — Endommagement  Cet article concerne l acception physique des dommages. Pour le sens juridique, voir dommage (droit). L endommagement est l apparition dans un matériau de dommages causés par l usure ou une attaque physique ou chimique. Il… …   Wikipédia en Français

Share the article and excerpts

Direct link
https://fr-academic.com/dic.nsf/frwiki/581793 Do a right-click on the link above
and select “Copy Link”