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REMERCIMENTS
En préambule à ce mémoire nous remerciant ALLAH qri nous aide et nous donne la patience et le courage durant ces langues années d'étude.
Ce mémoire n'aurait pas été possible sans l'intervention, consciente, d'un grand nombre de personnes, Nous souhaitons ici les en remercier.
Nous tenons d'abord à remercier très chaleureusement (Boc¢¢cÆ¢ K:b¢jder ) qui
nous a permis de bénéficier de son encadrement.
Les conseils qu'il nous a prodigué, la patience, la confiance qu'il nous a témoignés ont été déteminants dans la réalisation de notre travail de recherche.
Nos remerciements s 'étendent également à tous nos enseignants de Université de Jijel durant les années des études.
Enfin, nous tenons à remercier tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à la réalisation de ce travail
Résumé
Dans l'ensemble des secteurs industriels concemés par 1'usue, plus de deux tiers des problèmes rencontrés relèvent de la mécanique (dans ce domaine, 30 % des avaries sont imputables à l'usue). Liée aux déplacements de deux corps l'un par rapport à l'autre, l'usue se rencontre plus particulièrement su toutes les machines dont les fonctions utilisent les actions de contact : transmission des forces ou mouvements entre les difiérentes parties constitutives, guidages en rotation ou translation, assemblages, étanchéités. L'usue est un phénomène évolutif et irréversible néfaste à plusieus égards en l ' occurrence : évolutions dimensionnelles, géométriques des pièces, dégradations des surfaces... La maitrise et la compréhension du phénomène d'usue nécessite une étude approfondie des effets gouvemant le processus tribologique ainsi que l'analyse et l'exploitatjon des phénomènes qui trouvent naissance à l'interface de contact. Ceci, ne peut se faire qu'avec des expérimentations spécifiques à chaque nuance pemettant d'enregistrer, si possible en continu, les divers paramètres permettant de caractériser l'état du système étudié (vibrations, émission de particules, niveau de température, consommation de lubrifiants...) au fil du iemps face à la dégradation des surfaces par usure.
Les principaux objectifs visés dans le présent travail concement une investigation su le comportement à l'usure de différentes nuances d'acier au fil du temps pou différentes combinaisons des paramètres opératoires. Des essais d'usure de glissement ont été effectués en utilisant un système tribologique de type pion-disque à circuit ouvert. Les mécanïsmes d'usure des surfaces en frottement des pions ont été analysés en employant des observations sous ricroscope optique de Hund (W-AD). En outre, les effets combinés des paramètres opératoires (vitesse de rotation, température, charge nomale, géométrie des pions et durée d'essai) sur l'évolution de 1'usue des pions sont étudjés à travers le plan orthogonal mixte L27 de Taguchi et l'analyse des variances (ANOVA). En suïte, les relations entre les paramètres opératoires et la réponse (usure) via la méthodologie de surface de réponse (RSM) et les réseaux de neurones sont modélisées et comparées. Les mo(lèles ainsi obtenus sont de types : quadratiques et neuronaux. Les graphes représentatifs de l'évolution de la perte de masse au cours du temps pour les différentes combinaisons des paramètres opératoires montrent que l'usure à une aptitude croissante monotone au fil du temps.
Les résultats expérimentaux montrent que la diminution du rapport dureté disque/ dueté pion a un effet bénéfique su la résistance à l'usure des pions. En plus, l'acier inoxydable austénitique (X 54 CrMnNiNsi 21-9-4,), la forme géométrique des pions présentent les meilleues résistances à l'usue. Ils montrent, également, que le phénomène d'usue du système tribologique est gouvemé par un mécanisme d'usue par abrasion à deux puis à trois coips.
Enfin, le modèle neuonal donne des meilleus résultats comparativement au ceux issus de la méthodologie de surface de réponse (RSM).
Mots-clés: essai Pion-disque, usure abrasive, acier, optimisation, réseaux de neurones, RSM, analyse des variances, Grey-Taguchi.
Fi8ure 1.1:
Figure T. 2:
Figure 1. 3:
Figure 1. 4:
Fi8ure 1. 5:
Figure 1. 6:
Figure 1. 7, Figure 1. 8:
Figure 1. 9:
Liste des figures
la courbe baignoire d'un système
présentation des coubes de taux de panne des différents équipements L'allue générale de La coube
L'allue générale de la coube de fonction de taux d'avarie ^ (t) Analyse de la défaillance
La corrosion électrochimique : su le principe de la pile évolution de l'usue en fonction du temps
Phénomènes élémentaires de 1 'usue adhésive : fomation de transfërt Transfert consécutif à des liaisons adhésives (portée d'arbre à cames en acier fi-ottant su carter en alliage d' aluminium)
Figure 1. 10: Phénomène d'usue abrasive, adhésive et grippage
Figure 1.11: Phénomènes élémentaires de l'usue abrasive à deux et trois corps [Dupeux, 20051.
Figure 1.12: Usue abrasive à trois corps : a) Usue produite au niveau d'un joint
d'étanchéité, b) Usue produite au niveau d'un arbre toumait dans un coussinet moins dur que lui
Figure l.13: Effet de la dueté du corps considéré comme abrasif(Habr) su le taux d'usue 47 du corps antagoniste considéré comme métal (Hmétal) [Dupeux, 2005].
Figure l.15: Usue corrosive su portée de soupape moteu. Oxydation par les gaz chauds. 48 Usue de la couche d'oxydes générée par réaction avec les gaz chauds (grossissement 30)
Figure 1. 16: Pièces endommagées par con-o§ion de contact
Figure 1. 17: Usue par fissuation d'une r()ue creuse pour pont arrière automobile à vis.
Figure 1. 18: Usue par écaillage : a) Écaillage sévère sur une bague extérieure de roulement, b) Roulement écaillé provenant d'une roue de bicyclette.
Figure 1. 19: Usue par fatigue superficielle
Figure 1. 20: Usue par fissuation dans le cas des matériaux fi.agiles [Dupeux, 2005].
Figure 1. 21: Cicatrices d'usue typiques en fi.etting : relevé topographique d'une trace avec perte de matière dans la zone de contact
Figure 1. 22: Exemple de fi.etting-corrosioii. Douille d'assemblage en acier Figure 1. 23: Pièces endommagées par érosion
Figure 1. 24: Érosion par un fluide chargé. Piston de pompe véhiculant un fluide à base d' alumine [Dupeux, 2005].
Figure 1. 25: Usue par cavitation : Patin de pompe hydraulique à pistons.
Figure 1. 26: Usue par cavitation d'un impulseu de pompe centrifiige.
Figure 1. 27: Valeus du coefficient d'usure.
Figure 1. 28: Mesue d'une hauteur usée g].âce à une empreinte de microdueté Vickers : variation de la diagonale de l'empreinte D pemet de calculer la hauteur usée à partir de la
i::::,:sÎ:Ë#v::ugt::nmÊeï:g:ÏebTËreeànet:st:e?Îlee;:,obabi|itédeshauteursd,unprof,|de
suface avec l'usure.
64 Figure 1. 30: Domaine de sensibilité des différentes techniques de suivi de l'usue par l'étude 64 des particules d'usue
Figure 1. 31 : Dissipation d'énergïe en fi.ottement conduisant à la perte de matière
Figure 1. 32: Exemple de comparaison du comportement en usure de différents matériaux lors d'un essai de fi.etting
Figure 11.1: Schéma d'un neurone unique [Math works, 2007].
Figure 11. 2: Schéma d'une couche de neurones [Mathworks, 2007].
Figure 11. 3: Schéma d'un réseau multicouche [Mathworks, 2007].
Figure 11. 4: Fonctions de transfert les plus utilisées pour un réseau de neurones
Figure 11. 5: Schéma de principe de l'apprentissage supervise [Parizeau, 2004].
Figure 11. 6: Schéma de principe du perceptron simple [Mathworks, 2007].
Figure 11. 7: Allue d'un histogramme de la production.
Figure 11. 8: Allure d'un histogramme de la production
Figure 111.1 : Représentation schématique d'une section des couches superficielles d'une suface technique
Figure 111. 2: (a) Coupe schématisée de l'interface en tribologie, (b) Endommagements d'un corps fi.ottant.
Figure 111. 3: Circuit tribologique de Berthier [Berthier,1989|.
Figure 111. 4: Exemple de disposition des points expérimentaux dans un domaine sans contraintes
Figure 111. 5: L'ensemble des réponses qui correspond à tous les points du domaine d'étude fomie la surface de réponse.
Figure 111. 6: Système tribologique utilisé (montage su une fl.aiseuse) FÉgure 111. 7: Dispositïf tribologique
Figure 111. 8: Fraiseuse universelle
Figure 111. 9: Ensemble bille, ressort et pion testé
Figure 111. 10: Mécanisme utilise pou le contrôLe de la charge et le contacte continu pion- disque au cours d'essai
Figure 111. 11 : Méthode appropriée pou déteminer la valeu de la raideu du ressort utilisé.
Figure 111.12: Pions testés de différents nuances et géométries Figure 111.13: Dynamique du système piondisque
Figure 111. 14: Disque utilisé au cours d'essais : (a) avant essai et Œ) après essai.
Figure 111.15: Essai de dueté du disque avant et après essai.
Figure 111. 16: profil réel de la surface du disque : a) après essai d'usue b) avant essai d'usue, c) après essai d'usure à T= 100°C d) après essai d'usue à T= 200°C e) après essai d'usue à T= 3oo°c
Figure 111. 17:
des essais.
Figure 111.18:
Figure 111. 19:
Figure 111. 20:
FÉgure 111. 21:
Figure 111. 22:
Figure 111. 23:
Figure 111. 24:
Figure 111. 25:
pette de masse Figure 111. 26:
Figure 111. 27:
Dispositif utilisé de génération et de contrôle de 1'énergie calorifique au cours Système de contrôle de la température : Thermostat.
Chambre thermique (haute de canalisation de la chaleu générée) Tou parallèle à charioter et à fileter
Scie mécanique.
Fraiseuse universelle Perceuse à colome
Outïllage utïlisé pou effeciuer les essaies.
Balances de précision, avec une précision égale à 104, pour le suivi de la Microscope optique pou l'observation de l'usue
(a) Rugosimètre « Surftest .301 MITUTOYO », (b) étalon d'étalonnage du rugosimètre.
Figure 111. 28: Themocouple modèle Oméga HHMI
Figure 111. 29: (a) Duromètre 206RT pou la mesure de la dureté des pièces a usinées @) étalon d'étalonnage du duomètre (63.5 HRC)
Figure IV. 1 : Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pour les trois nuances
110
116 117
118 119
126
à pion testées (pions cylindriques) pour le régime opératoire : force P=14.32N, température T=100°C et vitesse de rotation N=180tr/min (essais : 1, 2 et 3)
Figure lv. 2: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cous du temps pou les trois nuances 127 à pion testées ®ions cylindriques) pou le régime opératoire : force P=14.32N, température
T=200°C et vitesse de rotation N=250tr/min (essais : 4, 5 et 6).
Figure IV. 3: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pour les trois nuances 127 à pion testées (pions cylindriques) pour le régime opératoire : force P=14.32N, températue
T=300°C et vitesse de rotation N=355tr/min (essais : 7, 8 et 9)
Figure lv. 4: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pour les trois nuances 128 à pion testées ®ions cylindriques) pou le régime opératoire : force P=28.64N, températue
T=200°C et vitesse de rotation N=180tr/min (essais : 10,11 et 12)
Figure lv. 5: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cous du temps pou les trois nuances 128 à pion testées Œions cylindriques) pou le régime opératoire : force P=28.64N, température
T=300°C et vitesse de rotation N=250tr/mjn (essais : 13,14 et 15)
Figure lv. 6: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pou les trois nuances 129 à pion testées Œions cylindriques) pou le régime opératoire : force P=28.64N, température
T=100°C et vitesse de rotation N=355tr/min (essais : ] 6, 17 et 18)
Figure lv. 7: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cous du temps pou les trois nuances 129 à pion testées ®ions cylindriques) pou le régime opératoire : force P=42.96N, températue
T=300°C et vitesse de rotation N=180tr/min (essais : 19, 20 et 21)
Figure lv. 8: Evolution de la perte de massc (U (g)) au cous du temps pour les trois nuances 130 à pion testées (pions cylïndriques) pour le régime opératoire : force P42.96N, température
T=100°C et vitesse de rotation N=250tr/min (essais : 22, 23 et 24)
Figure lv. 9: Evolution de la perte de massc (U (g)) au cous du temps pour les trois nuances 130 à pion testées ®ions cylindriques) pou le régime opératoire : force P=42.96N, températue
T=200°C et vitesse de rotation N=355tr/min (essais : 25, 26 et 27)
Figure IV. 10: Endommagement des surfaccs de contacte pas le mécanisme d'usue par abrasion au cours du deuxième essai (tableau IV.2)
Figure IV.11 : Endommagement des surfaces de contacte pas le mécanisme d'usue par abrasion au cours du septième essai (tableau IV.2).
Flgure IV.12: Endommagement des surfaces de contacte pas le mécanisme d'usure par abrasion au cours du huitième essai (tableau IV.2)
Figure IV.13: Endommagement des surfaces de contacte pas le mécanisme d'usue par abrasion au cours du neuvième essai (tableau IV.2)
Figure IV. 14: profil réel de la surface d'une éprouvette en acier inoxydable austénitique : a) avant essai d'usure (essai N° 8), b) après essai d'usue
Figure IV. 15: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pou les trois géométries à pjon testées pour le régime opératoire : force P=14.32N, température T=100°C et vitesse de rotation N= 180tr/min (essais : 1. 2 et 3)
Figure IV.16: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pou les trois géométries à pion testées pou le régime opératoïre : force P=]4.32N, température T=200°C et vitesse de rotation N=250tr/min (essais : 4, 5 et 6)
Figure IV.17: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pou les trois géométries à pion testées pour le régime opératoire : force P= 14.32N, température T=300°C et vitesse de rotation N=355tr/min (essais : 7, 8 et 9)
Figure IV.18: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pou les trois géométries à pion testées pour le régïme opératoire : force P=28.64N, température T=200°C et vitesse de rotation N=180tr/min (essais : 1 (),11 et 12)
Figure IV.19: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pour les trois géométries à pion testées pou le régime opératoire : force P=28.64N, températue T=300°C et vitesse de rotation N=250tr/min (essais : 13,14 et 15)
Figure IV. 20: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pou les trois géométries à pion testées pour le régime opératoire : force P=28.64N, température T=100°C et vitesse de rotation N=355tr/min (essais : 16,17 et ] 8)
Figure IV. 21: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pour les trois géométries à pion testées pou le régime opératojre : force P=42.96N, température T=300°C et vitesse de rotation N=180tr/min (essais : 19, 20 et 21 )
Figure IV. 22: Evolution de la perte de mass.. (U (g)) au cours du temp§ pour les trois géométries à pion testées pou le régime opératoire : force P=42.96N, températue T=100°C et vitesse de rotation N=250ti-/min (essais : 22, 23 et 24)
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139
140
Figure lv. 23: Evolution de la perte de masse (U (g)) au cours du temps pou les trois 140 géométries à pion testées pou le régime opératoire : force P==42.96N, température T=200°C et vitesse de rotation N=355tr/min (essais : 25, 26 et 27)
Figure lv. 24: Coube 2D de la variation de la perte de masse (U) et de la température (T) en 145 fonction du temps (t) lors des essais tribologiques en utihsant des pions en acier fàiblement
allié pou boulons (40 Mn 4)
Figure lv. 25: Test de nomalité d'Anderson-Darling associé à la Droite de Henry relative à 151 la perte de masse (U)
Figure lv. 26: Test de nomalité d'Anderson-Darling associé à la Droite de Henry après 152 trans fomation Logarithmi que
Figure lv. 27: Graphiques des effets principaux de la perte de masse (facteurs : température, 153 charge, matériaux à pion et vitesse de rotation)
Figure lv. 28: Evolution de la dureté du disque en fonction de la température 154 Figure lv. 29: Surfaces de réponse estimées de la perte de masse en fonction de la vitesse de 156 rotation, la charge, le matériau du pion et la température.
Figure lv. 30: Test de nomalité d'Anderst)n-Darling associé à la Droite de Henry de la perte 157 de masse
Figure lv. 3l: Test de nomalité d'Anders()n-Darling associé à la Droite de Henry après 158 trans formation Logarithmique
Figure lv. 32:Graphiques des effets principaux de la perte de masse (facteus : température, 159 charge, matériaux à pion, vitesse de rotatiorL et temps d'essai)
Figure lv. 33: Surfaces de réponse estimées de la perte de masse en fonction de la vitesse de 160 rotation, la charge, le matériau du pion, la tcmpérature et le temps
Figure IV. 34: Graphiques des effets principaux du grade relationnel gris.
Figure IV. 35: Graphiques des effets principaux du grade relationnel gris.
Figure IV. 36: Performances du model neuronal à architecture optimale avec un algorithme d'apprentissage de type : rétropropagation du gradient d'erreur associé à l'algorithme de Levenberg-Marquardt (U_(perte de masse)=:f(T , F ,M ,N,t))
Figure lv. 37: Coubes comparatives (valeurs expérimentales et estimées) des résultats de la 175 perte de masse
Liste des tableaux
Tableau 1.1: Liste non exhaustive des (léfaillances génériques (Afiior)
Tableau 1. 2: Les différences de potentiels (mv) de quelques couples de métaux. Au- dessus de la zone grisée, le métal su l'échelle horizontale est attaqué. En dessous de la zone grisée, le métal sur l'échelle verticale est attaqué
Tableau 1. 3: Couples de métaux compatibles Tableau 1. 4: Couples de métaux à essayer
Tableau 1. 5: Correspondances entre les phénomènes d'usue,1'aspect des surfaces usées et les particules d'usure (matériaux métalliques principalement) [Dupeux, 2005].
Tal)leau 111.1: Désignation, propriétés physiques, chimiques et mécaniques des pions testés : (a) pions en acier inoxydable austénitique, (b) pions en acier faiblement allié pour boulons, (d) pion en acier faiblement allié pou roulement
Tableau 111. 2: Désignation, propriétés physiques, chimiques et mécaniques du disque Tableau 111. 3: Plan d'expériences à 13 variables : plan orthogonal de Taguchi (L27
(313)).
Tableau 111. 4: Paramètres opératoires et leus niveaux.
Tableaux IV. 1 : Résultats expérimentaux de la variation de l'usue des pions cylindriques ®erte de masse) en fonction de la variation des conditions opératoires
®lan d'expériences orthogonal L27 de Taguchi)
Tableaux IV. 2: Résultats expérimentaux de la variation de l'usue des pions de différentes géométries (perte de masse) en fonction de la variation des conditions opératoires ®lan d'expériences orthogonal L27 de Taguchi)
Tableaux IV. 3: Résultats des essais de perte de masse pour difiérentes combinaisons des conditions opératoires pondent un temps d'essai de 90 min (tableau orthogonal standard de Taguchi L27 (313))
Tableaux IV. 4: Analyse des variances (ANOVA) de la perte de masse à l'échelle logarithmique en utïlisant les valeurs non codées (modèles quadratiques réduits).
Tableaux IV. 5: Analyse ANOVA globale pou la perte de masse en utilisant les valeurs non-codées.
Tableaux IV. 6: Résultats du suivi de la perte de masse (U_(perte de masse)=f(T,F,M,N,t))
Tableaux IV. 7: Analyse des variances (ANOVA) de la perte de masse à l'échelle logarithmique en utilisant les valeus non codées (modèles quadratiques réduits).
Tableaux IV. 8: Variables indépendantes et leurs niveaux : a) Algorithme
d'apprentissage de type : rétropropagation du gradient d'erreur avec « momentum » ; b) Algorithme d'apprentissage de type : rétropropagation du gradient d'erreu associé à l 'algorithme de Levenbe
Tableaux IV. 9: Tableau orthogonal de Taguchi: L27 (37), simulation via un réseau de neurones avec un algorithme d'apprentissage de type : rétropropagation du gradient d'erreur avec « momentum ».
Tableaux IV. 10: Tableau orthogonal de Taguchi: L27 (35), simulation via un réseau de neurones avec un algorithme d'apprentissage de type : rétropropagation du gradient d'erreu associé à l' algorithme de Levenberg-Marquardt
Tableaux IV. 11 : Coefficient relationnel gris, grade relationnel gris et le rang de chaque expérience en utilisant un réseau de neurones avec un algorithme
d'apprentissage de type : rétropropagation du gradient d'eneu avec « momentum » Tablcaux IV. 12: Analyse des variances des multi-perfomances (1e grade relationnel gris)
43 44 62 105
106 120
121
124
125
150
152
153
157
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165
166
166
167
168
Tableaux IV. 13: Tableau de réponse pou le grade relationnel gris (Algorithme de rétropropagation du gradient d' erreu avec « momentum »)
Tableaux IV. 14: Résultats de l'optimisation de des perfomances neuonales en uti lisant l'approche Gris-Taguchi (Algorithme de rétropropagation du gradient d'erreur avec « momentum »)
Tableaux IV. 15: Coefficient relatiomel gris, grade relatiomel gris et le rang de chaque expérience en utilisant un réseau de neurones avec un algorithme
d'apprentissage de type : rétropropagation du gradient d'erreur associé à l'algorithme de Levenberg-Marquardt
Tableaux IV. 16: Tableau de réponse pou le grade relatiomel gris (algorithme d'apprentissage de type : rétropropagation du gradient d'erreu associé à l'algorithme de Levenberg-M arquardt)
Tableaux IV. 17: Analyse des varimces des multi-perfomances (le grade relationnel gris,.
Tableaux IV. 18: Résultats de l'optimisation de des perfomances neuonales en utilisant l'approche Gris-Taguchi (algorithme d 'apprentissage de type :
rétropropagation du gradient d ' erreur associé à l ' algorithme de Levenberg-Marquardt)
169
170
Sommaire lntroduction
Chapitre I : Dégradation : viei]lissement, corrosîon, usure
1.1. Défaillance des pièces machines 1.1.1. Définition de la défaillance
1.1.2. Classification des défaillances en fonction des causes 1.1.3. Classification des défaillances en fonction du degré
1.1.4. Classification des défaillances en fonction de la vitesse d'apparition 1.1.5. Classification des défaillances en fonction de la vitesse d'apparition et du degré
1.1.6. Classification des défaillances en fonction de la date d'apparition 1.1.7. Classification des défaillances par rapport aux conséquences 1.1.8. Définition des défauts et pannes
1.2. Vieillissement 1.2.1. Introduction
1.2.2. Vieillissement des métaux et alliages 1.2.3. Vieillissement des matériaux organiques 1.2.4. Vieillissement des matériaux minéraux 1.3. La corrosion
1.3. ] . La corrosion électrochimique 1.3.2. Facteurs de corrosions 1.3.3. Les modes de con.osion 1.3.4. Conclusion
1.3.5. Protections contre la corrosion 1.4. Usure
1.4.1. Introduction 1.4.2. Définition
1.4.3. Evolution de l'usue 1.3.4. Facteurs de l'usue 1.4.5. Formes d'usure
1.4.6. Étude et quantification de I'usue 1.4.7. Paramètres à prendre en compte 1.4.8. Lois d'usure
1.4.9. Méthodes d'étude de l'usure
Chapitre 11 : Méthodes de modélisation et optimisation de ]a perte de masse
11.1. Introduction
11.2. Méthode de surface de réponse
11.3. Les réseaux de neurones artificiels (RNA) 11.3 .1. Historique et principe général
11.3.2. Les grands types de réseaux
11.4 Méthode de Grey-Taguchi (Grise-Taguchi) 11. 4.1. Méthode de Taguchi
11.4.2. Méthode Gris-Taguchi (Grey-Taguchi méthode)
Chapitre 111 : Approche expérimentale et méthodes de modé]isation
TII.1. Tntroduction
111.2. Surfaces et interfaces
26 26 27 28 28 28 29 30 32 33 38 38 38 38 39 39 60
61 61
62
67 67 68 68 77 78 78 83
111.2.1. Surface
111.2.2. Interface en mécanique 111. 3. Circuit tribologique
111.4. Phénomènes élémentaires d'endommagement des surfaces 111.5. Mécanismes de dégradation des siirfaces
111.6. Position du problème
111.7. Procédés d'examen de l'usure
111.8. Méthodologie des plans d'expériences 111. 8.1. Plan d'expériences
111.8.2. Notion d'espace expérimental
111.8.3. Choix de la méthode d'expérimentation 111.8.4. Analyse des résultats
111.8.5. Acquisition progressive de 111. 8.6. Espace expérimental 111.8.7. Domaine d'un facteu 111.8.8. Variables centrées réduites 111.8.9. Surfaces de réponse 111.9. Equipements utilisés
la comaissan
111.9.1, Dispositif tribologique et échanti Llons 111.9.2. Machine-outil et outillages utilisés 111.10. Appareils de mesure
111. 10.1. Mesue de la perte de masse (Balance de précision) 111.10.2. Microscope optique
111.10.3 . Rugosimètre 2D 111.10.4. Themocouple 111.10.5. Duomètre 111.11. Plans d'expériences
Chapitre IV : Ana]yse ct modé]isation de )'usure
IV.1. Introduction
IV.2. Étude et quantification de l'usue
IV.3. Stratégie et choix des paramètres opératoires
IV.4. Résultats et investigation du comportement à l'usure du système pion- disque
IV.4.1. Résultats numériques des essais expérimentaux IV.4.2. Traitement graphique des résultats tribologiques
IV.5. Modélisation des phénomènes gouvemant l'interface de contact pion- disque
IV.5.1. Méthodologie de surface de réponse (RSM)
IV.5.1.1. Méthodologie de planification dcs essais de l'usue : Méthodologie des plans d'expérience
IV.5.1.2. Estimation des coefficients des modèles
IV.5.1.3. Analyse et modélïsation de la perte de masse par méthodologie des surfaces de réponse (RSM)
IV.5.1.4. Testes de nomalité
IV.5.1.5. Modélisation de la perte de masse (t=90min) en fonction de : la température (T;TTttt!), la charge nomale (F), la vitesse de rotation et° le matériau du pion (Uperte de masse = f(T, F, M, N)
146 146
146 147
148 150
IV.5.1.6. Modélisation de la perte de masse en fonction de : la température (T), la charge (F), la vitesse de rotation, le matériau du pion et le temps d'essai (Uperte de masse = f(T, F, M, N, t))
IV.5.2. Modélisation de la perte de masse par réseaux de neurones artificiels (ANN)
IV.5.2.1. Introduction IV.5.2.2. modèle neuronal
IV.5.2.3. Apprentissage du réseau
IV.5.2.4. Paramétrage du réseau de neur(ines IV.5.2.5. Validation et résultats de simulation IV.5.2.6. Amélïoratïon de la généralisation
IV.5.2.7. Optimisation de l'architecture du modèle de réseau de neurones IV.5.2.8. Résultats d'optimisation par la méthode de Gris-Taguchi IV.5.2.9. Test de confirmation du model neuonal à architecture optimale IV.5.2.10. Comparaison entre les valeus de la perte de masse expérimentales et estimées
Conclusion générale
REFERENCES BIBLI0GRAPHIQUES
156
Introduction générale
Les propriétés de frottement entre matériaux en contact, et l'usure qui en résulte, revêtent une importance considérable tant su le plan scientifique que sur le plan économique (i.e. dans les conceptions d'ensembles mécaniques). Dans le cas des paliers, par exemple, les forces de ûottement sont indésirables en raison de la puissance qu'elles gaspillent ; et l'usue est néfaste parce qu'elle fait apparaître des jeux en service.
D'un autre côté, lorsqu'on choisit des matériaux pou des gamitures d'embrayage ou de fl.eins, on s'efforce d'obtenir le maximum de ffottement ; mais là encore, l'usure est indésirable pour des raisons évidentes. En revanche, dans les opérations d'usinage comme le meulage ou la rectification, on s'efforce d'obtenir un maximum d'usue tout en dépensant ui minimuin d'énergie en ffottements. Enfin, dans le développement d'une technologie, il est fréquent de substituer un matériau à un autre, soit pou des raisons de perfomance, soit pou des motifs économiques. En effet, lorsqu'un ingénieu conçoit un objet ou une structure, il a une large gamme de matériaux à sa disposition. Comment s'y prend-il pou choisir le matériau ou l'assemblage de matériaux le plus adapté à son objectif ? Les erreurs peuvent causer des désastres. Les critères de choix des matériaux doivent tenir compte des facteurs suivants :
i.Des fonctions principales de la construction, c'est-à-dire des modes de mise en charge, des températures et des conditions générales d'utilisation ;
ii.Du prix de revient des diverses solutions possibles ;
iii.Du comportement intrinsèque ou non (extrinsèque) du matériau : conductibilité, résistance à la rupture, à la corrosion, à l'usure, etc.
Notons que l'usure des matériaux en fi.ottement est très variable. En conséquence, il n'existe ni bon ni mauvais matériau de frottement mais des couples de matériaux qui, pou des conditions données, foment des troisièmes coips compatibles ou non avec les caractéristiques de fi.ottement et d'usure souhaitées. Au cours du phénomène d'usure, il y a ui passage d'un contact à deux corps à un contact à trois coips. En effet, les débris provenant de l'usure se trouvent piégés dans l'espace confiné fomant ainsi une couche pulvérulente appelée « troisième corps ». 11 ressort donc que l'usue n'est pas une propriété intrinsèque des matériaux mais une conséquence du frottement. Elle dépend des caractéristiques mécaniques et structurales des deux matériaux en fi.ottement et des conditions de sollicitation.
Les phénomènes de fi.ottement ne sont pas décrits par des propriétés intrinsèques des matériaux, ce qui rend leu prédiction délicate. En outre, le fi.ottement et l'usure sont des phénomènes indépendants. 11 est possible de concevoir des systèmes à usure faible et frottement élevé (freins) ou à usure forte et frottement faible (usinage). Enfin, l'introduction de la notion de contact à trois corps, qui s'articule autour des concepts de triplet tribologique, de circuit tribologique et de mécanisme d'accommodation de vitesse, a permis une meilleure compréhension des mécanismes de frottement et d'usure.
Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans ce contexte. Les principaux objectifs de cette recherche viseront non seulement de porter l'accent sur l'étude et l'analyse du comportement à l'usure à l'interface de contact, mais aussi d'apporter des améliorations (conception et fabrication) sur le dispositif (tribomètre) avec lequel les
essais expérimentaux seront réalisés. Nous nous intéresserons, en outre, à la modélisation de la relation entre les paramètres opératoires et l'usure à travers : la méthodologie de surface de réponse (RSM), les réseaux de neurones à architecture optimisée.
L'actuel travail synthétise trois parties essentielles autou desquelles s'articulent quatre chapitres.
La première partie, conceme le premier chapitre. Ce demier, propose un tou d'horizon des différentes modes de dégradation des matériaux et pièces machines à savoir : vieillissement, corrosion et usure des matériaux utilisés en industrie.
La deuxième partie, conceme les de`ix chapitres suivants (chapitre 11-111). Pou ce qui est du deuxième chapitre, il a été réservé à la présentation de différentes méthodes d'optimisations et de modélisation utilisées pour l'analyse et le traitement statistique des résultats en l'occurrence la méthode de surface de réponse (RSM), Taguchi, Grey- Taguchi, réseaux de neurones (ANN). D:ms le troisième chapitre nous avons présenté la démarche expérimentale adoptée pour la réalisation de nos essais (équipements utilisés, conditions opératoires planification des expériences et outillages).
Quant à la demière partie (chapitre IV) une analyse scientifique et technique des résultats expérimentaux a été proposée. Ce quatrième chapitre débouche, également, su une proposition de différents modèles mathématiques basés sur des méthodes statistiques.
Enfin, et comme épilogue, une conclusion générale teminera notre étude. S'y venont inscrites les principales remarques et analyses tirées, ainsi que les éventuelles perspectives.
Chapitre I : Dégradation : vieillissement, corrosion, usure
1.1. Défaillance des pièces machines 1.1.1. Définition de la défaillance
Le diagnostic industriel possède des applications dans les domaines de la conduite et dans la maintenance des procèdes industriels et il est primordial de définir et de préciser sans ambigüité les notions de défaillance, pannes et défauts. En effet, les actions techniques à mener sont de nature différente dans la conduite et la maintenance. Lors d'un dysfonctiomement constaté lors de la conduite d'une installation industrielle, l'équipe de conduite devra en œuvre rapidement, après diagnostic, la procédue adéquate pou revenir à un fonctionnement su de l'installation. Ici le temps de réaction joue un rôle prépondérant [Zwingelstein,1995]. Pour les activités de maintenance préventive ou prévisiomelle, la contrainte temps est souvent moins contraignante et les actions techniques sont différentes comme indiqué dans ce chapitre. La définition de la défaillance se présente comme suit :
« L'altération ou la cessation de l'aptitude d'un ensemble à accomplir sa ou ses fonctions requises avec les perfomances définies les spécifications techniques. » L'ensemble est indisponible suite à la défaillance.
Un ensemble est défaillant su ces capacités fonctionnelles sont interrompues ®ame ou arrêt volontaire par action d'un système inteme de protection ou une procédure manuelle équivalente). Dans le cas d'une dégradation sans perte totale de la fonction, on considère qu'il s'agit d'une défaillance si sa perfomance tombe en dessous d'un seuil défini, lorsqu'un tel seuil minimum est contenu dans les spécifications fonctionnelles du matériel.
1. Défaillance structurelle2Blocaf:ephysiqueaucoincement 18. Mise en marche erronee 19. Ne s'aiTête pas
3. Vibration4Nerestepas en position 20. Ne démarre pas 21. Ne coiiimute pas
5. Ne s'ouvre pas6.Nesefermepas7.Défaillanceenposition ouverte8.Défaillanceenpositionfermée9Fuiteinteme 22. Foncti(}nnement prématuré
23. Fonctionnement après le délai prévu 24. Entrée erronée (augmentatïon) 25. Entrée erronée (diminution) 26. Sortie erronée (augmentation) 10 Fuite exteme 27. Sortie erronée (diminution) 11. Dépasse la limite supérieue tolérée12.Estendessousdelalimiteinférieure 28. Perte dc l'entrée
29. Perte de la sortie tolérée13.Fonctionnement intempestive14.Fonctionnementintermitent15Fonctionnementirrégulier
30. Court-circuit 31. Circuit ouvert 32. Fuite (électrique) 16. Indication erronee
3 3. Autres conditions exceptionnelles de défaillances spécifiques au système.
17. Ecoulement réduit
Tableau 1.1 : Liste non exhaustive des défaillances génériques (Afiior)
11s'ensuitqu'unensembleestdéfaillants'ilestconsidéréoudéclareincapabled'assurer les fonctions requises par l'exploitant utilisant des critères fonctiomels simples.
Cette définition inclut de façon très explicite la perte de fonction d'une entité et pou cette raison elle porte souvent à des interprétations différentes suivant les intervenants.
Cette grande différence d'approche constitue une réelle difficulté pour entreprendre de façon efficace un dialogue entre les concepteurs, les exploitants, et les responsables de la maintenance. Pou clarifier ces différences on fait recours à des nomes (AFNOR) qui dome une liste non exhaustive des défaillances génériques suscçptibles d'être rencontrées su des matériels industriels (tableau 1.1.).
Une lecture attentive du contenu de ce tableau, nous montre les types de défaillances matérielles (fiiite) et les défaillances fonctionnelles (ne démarre pas).
i. Définition de la défaillance potentiell.`
Lorsqu'une valeur a été fixée pour évaluer la dégradation d'un matériel ou d'un composant, on défini une autre valeu du même critère, en avance de la précédente, comme étant le point de défaillance potentielle.
Cette valeur est choisie de manière que si la dégradation ne l'atteint pas, le risque de défaillance avant la prochaine inspection est jugé acceptable et donc il n'est pas nécessaire d' intervenir avant cette valeur.
On notera que la valeu de la défaillance potentielle est fonction de l'intervalle entre inspections. Ce concept de défaillance potentielle est à la base des techniques modemes de maintenances (prévisionnelle ou conditionnelle). 11 sera utilisé comme critère de décision de restauration.
ii. Définition d'une dégradation
Une dégradation d'un système se présente comme suit :
• Une perte de performances d'une des fonctions assuées par l'ensemble (si les perfomances sont au-dessous du seuil d'arrêt défini par les spécifications fonctiomelles, il n'y a plus dégradation mais défaillance).
• Un sous-ensemble lui-même dégradé, voire défaillant (sans conséquences fonctionnelle su l'ensemble) [Wang,1995|.
iii. Cause de défaillance
Elle est définie comme étant « les circonstances liées à la conception, la fabrication, ou l'emploi et qui ont entrainé la défaillance ».
Cette défmition est fondamentale en diagnostic et analyse des risques industriels puisque l'on cherche la cause première ou cause racine (Root cause) de la défaillance en fonction de symptômes extemes qui sont observés.
Une bonne politique de maintenance passe par une maitrise parfaite des mécanismes de ruine liés à la conception, la construction et à 1'exploitation des matériels. Pou ce faire, détecter une défaillance est capital pou éviter une éventuelle perte de la fonction d'un processus industriel et surtout de comaître et de prévenir à temps une défaillance en suivant l'évolution d'une dégradation d'un élément matériel.
iv. Mode de défaillance
« Effet par lequel une défaillance est observée. »
Comme par exemple un court-circuit ou un circuit ouvert. A chaque défaillance d'un dispositif, d'un système ou composant on associe des modes de défaillances induit par les causes de défaillance, caractérisée ensuite par leurs effets et leurs conséquences.
v. Mécanisme de défail]ance
« Processus physique, chimique ou autre qui entraine une défaillance. » 1.1.2. Classirication des défaillances en fonction des causes
i. Défai]lance due à un mauvais emploi
« Défaillance attribuable à l'application de contraintes au-delà des possibilités données du dispositif. »
C'est le cas, par exemple, de la rupture d'une enceinte sous pression au-delà de la pression pour laquelle elle a été conçue.
ii. Défaillance due à une faiblesse inhérente
« Défaillance attribuable à la faiblesse inhérente au dispositif lui-même lorsque les contraintes ne sont pas au-delà des possibilités données du dispositif. »
Cela peut être un défaut de conception par exemple.
iii. Défaillance première
« Défaillance d'un dispositif dont la cause directe ou indirecte n'est pas la défaillance d'un autre dispositif. »
Cela correspond par exemple à la défaillance d'un palier de l'arbre d'un compresseur.
iv. Défaillance seconde
« Défaillance d'un dispositif dont la cause directe ou indirecte est la défaillance d'un autre dispositif. »
La défaillance d'un transistor est liée à la défaillance d'une résistance.
1.1.3. Classification des défaillances en fonction du degré i. Défaillance partielle
« Défaillance résultant de déviations d'une ou des caractéristiques au-delà des limites spécifiées, mais telle qu'elle n'entraine pas une disparition complète de la fonction requise, »
Les limites correspondant à cette catégorie sont des limites spéciales spécifiées à cette fln.
ii. Défaillance complète
« Défaillance résultant de déviation d'une ou des caractéristiques au-delà des limites spécifiées, telle qu'elle entraine une disparition complète de la fonction requise. » Les limites correspondant à cette catégorie sont des limites spéciales spécifiées à cette fin.
iii. Défaillance intermittente
« Défaillance d'un dispositif subsistant pendant une duée limitée, à la fin de laquelle le dispositif retrouve son aptitude à accomplir sa fonction requise, sans avoir été soumis à une action corrective exteme quelconque. »
1.1.4. Classification des défaillances en fonction de la vitesse d'apparition i. Défaillance soudaine
« Défaillance qui n'aurait pas pu être prévue par un examen ou une surveillance antérieue. »
Ce type de défaillance ne peut pas se détecter par un examen de l'évolution des caractéristiques du dispositif.
ii. Défaillance progressive
« Défaillance qui aurait pu être prévue par un examen ou une surveillance antérieure. » Cetypededéfaillancepeutsedétecterparunexamendel'évolutiondescaractéristiques du dispositif.
1.1.5. Classirication des défaillances en fonction de la vitesse d'apparition et du degré
i. Défaillance catalectique
« Défaillance qui à la foi soudaine et complète. »
En pratique le diagnostic d'une telle défajllance est souvent impossible.
ii. Défaillance par dégradation
« Défaillance qui est à la foi progressive et partielle. »
A la longue, une telle défaillance peut de\'enir une défaillance complète.
1.1.6. Classirication des défaillances en fonction de la date d'apparition i. Taux de défaillance (ou taux d'avarie)
Une grandeur fondamentale souvent utilisée caractérise la défaillance d'un composant : 1e taux de défaillance À (t) (instantané).
11 est défini par la norme NF X 60-500 comme suit : « Limite si elle existe, du quotient de la probabilité conditionnelle pou que l'instant d'une défaillance d'une entité soit compris dans un intervalle de temps donné, [t, t+At], par la duée At de l'intervalle de temps, lorsque At tend vers zéro sachant que l'entité n'a pas été défaillance entre 0 et t.
»
Le comportement du taux de panne est très bien représenté par les caractéristiques de la courbe baignoire. En effet, la coube baignoire, est une caractéristique omniprésente chez les êtres vivants comme dans les dispositifs d'ingénierie, et une partie importante de la terminologie provient des études de démographes portant sur la distribution des taux de mortalité [Kaffel, 2001 ].
',
Temps
Figure 1.1: la coube baignoire d'un système.
La courte période de temps du côté gauche de la coube est une région où les taux de panne sont élevés, mais décroissants (figure 1.1). Cette région est définie comme la période de mortalité infantile. Dans cette région, les pièces et les équipements défectueux tombent en panne parce qu'ils n'ont pas été fabriqués ou constniits adéquatement.
La section du milieu de la coube baignoire contient le plus petit et le plus constant taux de pame. Cette section est connue comme la vie utile de dispositif ou de la pièce. Ce comportement constant et plat est révélateu de pannes aléatoires.
La partie droite de la courbe correspond à des taux de panne croissants. Pendant cette période, les pannes dues au vieillissement deviennent dominantes.
Cette coube exprime la jeunesse, la maturité et le vieillissement d'un système [Kaffe],
2001].
Equipement électronique
Progratmed'ordinateu
Equipement mécanique
Ï
t
Figure 1. 2: présentation des coubes de taux de pame des différents équipements.
À(t.) est donc mathématiquement une densité de probabilité conditionnelle et s'écrit : Le taux de défaillance :
^ (t) : probabilité d'avarie au temps f + Af .
• La densité de probabilité :
/(/) : Probabilité d'avarie au temps t.
• La Fonction de fiabilité:
",-Ë(#)"
-f,#,ex[-(=,'
R(t)--exp
R(t) : probabilité de suivi cumulée au-delà du temps.
f(t)---dR(t)/dt
On peut exprimer le taux de défaillance instantané Mt) par
• Signiflcation des paramètTes : P, q,y : a) Paramètre de forme 8 :
Est ui nombre nous dimension, il défirit l'allure de la distribution de weibull.
t Figure 1. 4: L'allue générale de la courbe de fonction de taux d'avarie ^ (t)
Figure 1. 3: L'allue générale de la courbe
L'allure générale des courbes de densité de probabilité et de celle de fonction du taux d'avarie varie avec P (figure 1.3 et 1.4).
b) Paramètres d'échelle q :
Caractérisant le choix d'une échelle il s'exprime dans la même unité de temps. (Heures ou cycle)
c) Paramètre de loca]isation y :
Egalement nommé paramètre de décalage au de position il s'exprime en unité de temps.
11 indique la date de l'apparition du mode défaillance caractérisé par P
• Si y > 0 : il y a survie totale enter t = 0 et t = y.
• Si y = 0 : Ies défaillances débutent à l'origine des temps.
• Si y < 0 : les défaillances ont débuté avant l'origine de temps relèves [Bottel, 19871.
ii. Taux de remise en service
La norme NF X 60-500 défmi un taux de remise en service « limite si elle existe, du quotient de la probabilité conditionnelle pou qu'une entité soit remise en service dans ui intervalle [t, t+At] sachant qu'elle a une défaillance à l'instant 0 et que la remise en service n'a pas encore été effectuée à 1'instant t, par la duée At de l'intervalle de temps, lorsque At tend vers 0. »
1.1.7. Classirication des défaillances pa r rapport aux conséquences
Les défaillances qui surviennent sur des dispositifs, systèmes et composants ont des conséquences et des effets qui peuvent avoir des degrés de gravité très divers. Ainsi certaines défàillances n'auront qu'un iinpact mineu sur les fonctions et mission remplies par le dispositif. Les actions co]Tectives pourront s'effectuer avec des délais relativement longs. Par contre, d'autres défaillances par leurs conséquences sur l'intégrité des biens et des personnes exigeront des actions correctives immédiates.
i. Déhil]ance mineure
« Défàfllances, autre que critique, qui ne réduit pas l'aptitude d'un dispositif plus complexe à accomplir sa fonction requise. »
Elle nuit au bon fonctionnement du dispositif en causant des dommages négligeables soit au système soit à l'environnement. Ainsi une fiiite de liquide fioid su une bride d'une tuyauterie rentre dans cette catégorie.
ii. Défaillance majeure
« Défaillance, autre que critique, qui risque de réduire l'aptitude d'un dispositif plus complexe à accomplir sa fonction requise. »
Elle est appelée également défàillance significative. Elle ne cause pas de dommage notable au système, à l'environnement ou à l'homme. Par exemple, la dégradation d'un palier d'un groupe motopompe, caractérisé par un échauffement anomal, peut être assimilée à une dé£rillance majeue.
iii. Défainance critique
« Défàillance qui risque de causer des blessues à des personnes ou des dégâts importants aux matériels. »
Cette défaillance entraine la perte d'une ou des fonctions essentielles du dispositif avec un impact sur l'environnement, les systèmes et les personnes. La rupture d'une tuyauterie de vapeur sous pression peut causer ces dommages.
iv. Défaillance catastrophique
« Défaillance qui entraine la perte d'une ou des fonctions essentielles d'un dispositif en causant des dommages importants au dit système, à l'enviromement et peut entrainer la mort de l'homme. »
Basé sur les conséquences qui correspondent à toutes les suites logiques associées à l'apparition d'u événement, on peut alors définir les effets mineus, majeurs, critiques et catastrophiques.
1.1.8. Dérinition des défauts et pannes
Lors des évaluations des risques en phase identification des et diagnostic, nous avons souvent tendance à confondre entre les temes défauts et pannes. De ce fait, il est nécessaïre de définir ces termes :
La pame est l'inaptitude d'un dispositif à accomplir une fonction requise. Donc 1'apparition d'une défaillance est caractérisée par la cessation du dispositif à accomplir sa fonction. Par conséquent, une panne résulte d'une défaillance. Les classifications des pannes sont similaires à celles définies pour les défaillances. On qualifiera alors les pannes mineues, majeues, critique, catastrophiques [Goble,1998].
On peut citer, entre autre les types de pannes suivantes : i. Panne intermittente
« Panne d'un dispositif subsistant sur une durée déteminée et limitée. Après cette période le dispositif est apte à assurer la fonction ou la mission pou lequel il a été conçu sans avoir fait l'objet d'une action corrective. »
En pratique ce sont les pannes les plus dif.ficiles à diagnostiquer.
ii. Panne fugitive
« Pame d'ui dispositif qui est intemittente et difficilement observable. »
La difficulté à diagnostiquer ce genre de pannes est due principalement à leus apparitions aléatoires.
iii. Panne permanente
« Pame d'un dispositif qui subsiste tant qu'une opération de maintenance conective n'a pas été effectuée. »
iv. Panne latente ou cachée
« Panne d'un dispositif qui existe mais qui n'a pas pu être détectée. »
Les pames sont souvent caractérisées par leurs états et leus modes ou effets.
v. Notions de défaut
Le concept de défaut est important dans les opérations de surveillance pour la conduite et la maintenance des processus industriels.
On considère comme défaut tout écaft entrc la caractéristique observée su le dispositif et la caractéristique de référence lorsque celui-ci est en dehors des spécifications. De même, on applique les concepts de défaut mineu, majeur, critique, catastrophique ,...
etc.
Analyse de la défaillance :
11estdans1'espritdelamaintenancecorrectivedenepasseulementdépannerouréparer un système défaillant, mais de chercher à éviter la réapparition du défaut. D'où l'intérêt des analyses de défaillance effectuées à partir de 1'observation attentive des symptômes. A l'issue de la défaillance d'un équipement, une expertise doit pemettre de rassembler des éléments de connaissance qui sont une condition nécessaire à la préconisation des remèdes correctifs à apporter (figure 1.5).
lmputation extrinséque
- accident (choc) - mauvaise utilisation
(conduite)
~ environnement non conforme - non respect de
consignes (surcharge) - mauvais entretien
défaillance seconde (conséquence d'une première)
autre cause
Processus intrinsèque
F`echerche du mode de défaillance :
- santé-matière - en fonctionnement
- fugitjf - permanent
Caractère M A N I F ESTAT I O N
Vitesse - progressive - soudaine
- partielle (mode dégradé) - complète (perte de
fonction AMPLITUDE
CAUSES
Symptôme de DÉFAILLANCE
CONSÉQUENCES
Tabl® do criticité
Criticité Sécurité Disponibilité Production personne coûts d.arrêt
Critique Risque Immobilisation
3 Arrêtée de mol.t avec dégâts
Majeure Blessure
Immobilisationbrèvesansdégâts
2 Fta'entieperturbée
;Pas Pas
1
Nonra'entie Mineure d'atteinte[corporelle d'immobili-sation|dumatériel
.probable
Figure 1. 5: Analyse de la défaillance.
- mécanique - électrique - électronique - hydraulique - pneumatique - autre
Nature lDENTIFICATION
Situatjon - espace : localisation - temps : date
nombre d'unités d'usage
- surveillance préventive (capteurs, inspections, rondes)
APTITUDE à être DÉTECTÉE
REMÈDES
1.2. Viei]]issement 1.2.1. Introduction
Le teme de vieillissement désigne l'évolution (généralement défavorable) des propriétés d'un matériau au cours du temps par interaction en volume avec un facteur physiqueenvironnant.Bienqueladistinctionsoitparfoisdifficile,letemedecorrosion désigne plus spécifiquement une dégradation et/ou une perte de matière par réaction chimique du matériau avec son environnement, réaction qui se produit en suface de la pièce considérée. L'usure est une perte de matière d'origine mécanique, consécutive au mouvement relatif de deux surfaces solides en contact.
1.2.2. Vieillissement des métaux et alliages
1. Vieillissement thermique
L'évolution des propriétés mécaniques d'un métal écroui soumis à une température supérieure ou égale à environ 0.5 T fùsion par restauration ou recristallisation constitue un exemple typique de vieillissement themique.
2. Fragilisation par l'hydrogène
L'hydrogène, atome de taille très petite, se dispose facilement en position interstitielle et diffiise très rapidement jusqu'au cœur de la plupart des matériaux. Son effet sur les métaux et alliages se traduit le plus souvent par une diminution notable de la ductilité et de l'énergie de propagation de fissure, attribuée à un « mouillage » des pointes de fissures par l'hydrogène atomique (H, l'hydrogène peut aussi exister sous fome moléculaire diatomique H2), ainsi qu'à une forte interaction entre 1 'hydrogène atomique et les dislocations.
L'apparition de cette fragilisation conceme tout particulièrement les aciers à haute limite d'élasticité et/ou à l'état martensitique, soumis à une source d'hydrogène atomique : potentiel cathodique, présence d'acide sulfi]rique, de vapeu d'eau à température élevée... Un état intrinsèquement ductile (état recuit, structure cfc...) réduit la susceptibilité à la ffagilisation par l'hydrogène.
3. Vieillissement sous irradiation
En ambiance radioactive, les matériaux sont soumis à des flux de diverses articules (protons, neutrons, électrons. . .) et de divers rayonnements :
Π(2 protons + 2 neutrons);
P Œrotons + électrons, ou neutrons + positrons);
ï (analogues à des rayons X de très courte longueur d'onde).
L'énergie de ces particules ou rayonnements est parfois suffisante pour provoquer des dommages d'irradiation, essentiellement par éjection d'atomes hors de leur site du réseau et envoi en position interstitielle ; l'atome éjecté peut lui-même au passage provoquer d' autres chocs similaires.
Une particule incidente fortement énergétique peut créer un grand nombre de paires de Frenkel (uie lacune + un interstitiel associé) par une cascade foisonnante de chocs successifs jusqu'à épuisement de l'énergie cinétique incidente.
