La tenue mécanique à chaud

C’est un fait d’expérience; la tenue mécanique d’un métal porté à une température supérieure à la température ambiante est diminuée. Si l’on effectue des essais de traction à chaud (NF EN 10002-5) on constate que le module d’élasticité et la limite d’élasticité s’abaissent quand la température s’élève.

■ Évolutions du module d’élasticité à chaud Les évolutions, avec la température, du rapport :

module d’élasticité E_Θ à la température Θ/module d’élasticité E₂₀ à 20 °C sont celles relatives au métal de base; ce rapport variant peu avec les teneurs en éléments d’alliage. Le tableau 3.1 donne des ordres de gran-deur de ces évolutions.

Tableau 3.1 – Ordre de grandeur du rapport E_Θ/E₂₀ à la température Θ. Métal

de base

100 °C 200 °C 300 °C 400 °C 500 °C 600 °C 700 °C

Al 0,98 0,88 0,70

Fer 0,98 0,96 0,93 0,90 0,86 0,81 0,76

Ni 0,98 0,96 0,93 0,90 0,86 0,81 0,76

Ti 0,96 0,91 0,85 0,80 0,75

E_Θ = Valeur du module d’élasticité à la température de Θ°C.

E₂₀= Valeur du module d’élasticité à la température de 20 °C.

3 • Les propriétés des métaux

3.1 Les propriétés mécaniques

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■ Évolutions de la limite d’élasticité à chaud

Quand la température s’élève, la limite d’élasticité diminue (cette évolution peut être perturbée par des transformations métallurgiques qui traduisent une instabilité de l’état structural de l’alliage). Il est pratique de donner un aperçu assez général des variations de la limite proportionnelle d’élasticité d’un type d’alliage en considérant les valeurs prises par le rapport :

R_p à Θ°C/R_p à 20 °C Le tableau 3.2 en donne des ordres de grandeur.

Tableau 3.2 – Ordre de grandeur du rapport R_p à Θ°C/R_p à 20 °C àΘ.

Rp20 = Valeur de la limite d’élasticité à la température de 20 °C.

(*) Mesure perturbée par le fluage.

3 • Les propriétés des métaux

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3.1 Les propriétés mécaniques

■ ^{Le fluage}

Au-delà d’un certain domaine de température, on remarque que, sous une charge de traction constante (souvent inférieure à sa limite d’élasti-cité), un métal peut se déformer progressivement et même se rompre au bout d’un temps plus ou moins long (de quelques heures à plusieurs dizaines de milliers d’heures, voire d’avantage). Cette évolution, qui per-turbe la mesure de la limite d’élasticité, est la conséquence d’un autre pro-cessus de déformation plastique à chaud : le « fluage ». Ce phénomène est d’autant plus rapide que la température est élevée et la charge grande. Il est dû au fait que l’élévation de température :

– libère tous les systèmes de glissement des cristaux tout en accélérant les mouvements des dislocations;

– permet que des glissements se développent aux joints des grains.

Pour les divers alliages métalliques ce processus de déformation inter-vient au-delà d’une limite de température différente; son évolution au cours du temps, à température et sous une charge constantes est décrite par la courbe de fluage (figure 3.8).

Pour pouvoir dimensionner une construction qui doit travailler à tem-pérature élevée il est nécessaire de connaître la résistance au fluage du

Déformation instantannée lors de la mise sous charge

Temps

Rupture

Allongement relatif

Figure 3.8 – Schéma d’une courbe de fluage.

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3.1 Les propriétés mécaniques

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métal utilisé. Celle-ci s’exprime à travers des données qui peuvent, selon les besoins, être :

– la charge unitaire qui, à la température retenue provoque, par fluage, un allongement plastique conventionnel (le plus souvent 1 % mais on peut retenir aussi d’autres valeurs telles 0,1 % ou 2) en un temps défini (100, 1 000, 10 000, 100 000, 200 000 heures…);

– la charge unitaire qui, à la température retenue provoque, par fluage, la rupture en un temps défini (100, 1 000, 10 000, 100 000, 200 000 heu-res…).

Pour déterminer ces caractéristiques on effectue des essais de fluage qui consiste à porter une éprouvette à la température choisie et à lui appli-quer une charge de traction constante dans le temps jusqu’à l’obtention d’un allongement plastique fixé ou jusqu’à sa rupture. Les conditions dans lesquelles doit être réalisé un essai de fluage sont décrites dans la norme NF A 03-355. Pour que les résultats d’un essai de fluage soient valables et significatifs il est impératif que la température soit stabilisée avec précision au niveau prévu et ceci quelle que soit la durée de l’essai.

La détermination des valeurs de certaines caractéristiques de fluage exige-rait que soient effectués des essais de très longues durées (100 000 heures correspondent à 4 167 jours soit plus de 11 années). Une telle réalisation est à la fois très difficile techniquement et très coûteuse mais aussi trop

« longue » par rapport aux attentes des bureaux d’étude. Il est donc nécessaire de procéder par extrapolation de résultats obtenus sous des charges plus importantes ou à des températures plus élevées; ceci exige la réalisation de nombreux essais. De nombreuses formules paramétri-ques ont été proposées pour aider cette extrapolation; elles sont décrites dans la littérature spécialisée.

Pour pouvoir exploiter correctement les résultats des essais de fluage, il est nécessaire de prendre en compte l’influence des facteurs dont dépend la résistance au fluage :

– l’effet durcissant des précipités et la stabilité de ces derniers à la tempé-rature de service; il ne faut pas que puisse intervenir un processus de coalescence qui diminuerait le durcissement qu’ils provoquent;

– la taille des grains; les joints de grains étant le siège de glissements importants qui sont responsables de la formation et du développement

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3.1 Les propriétés mécaniques

des cavités qui vont conduire à la rupture, il est préférable de minimi-ser leur importance et donc d’utiliminimi-ser un métal à gros grains;

– l’environnement; le maintien d’un métal à haute température dans une atmosphère qui n’est pas chimiquement neutre vis-à-vis de lui peut engendrer des évolutions susceptibles d’altérer la résistance du métal au fluage (formation d’une couche d’oxydes qui diminue la sec-tion du métal, sulfurasec-tion, décarburasec-tion…).

La confrontation des résultats des essais de fluage avec les valeurs de la limite d’élasticité à chaud permet de diviser l’échelle des températures supérieures à 20 °C en trois parties (voir la figure 3.9 à titre d’exemple) : – le domaine (A de la figure 3.9) des basses températures (relatives) dans

lequel le fluage n’intervient pas;

– un domaine (B de la figure 3.9) des températures intermédiaires dans lequel le fluage intervient sur des durées qui permettent l’emploi à chaud du métal;

300 400 500 600 700 800

Température (˚C)

Figure 3.9 – Schéma des domaines d’emploi à chaud d’un acier.

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