Endommagement et rupture des matériaux, volume 1 (traité MIM)

Michel Clavel, Philippe Bompard

Description

La rupture ou l'endommagement des matériaux et des structures est pratiquement toujours un évènement non désiré, aux conséquences qui peuvent être catastrophiques.
Bien que les causes d'une défaillance mécanique puissent être analysées le plus souvent en s'appuyant sur une connaissance approfondie du comportement des matériaux, la prévision et la prévention des défaillances demeurent difficiles : alors que le comportement mécanique macroscopique résulte souvent d'effets de moyenne à l'échelle de la structure ou de la microstructure, l'endommagement résulte le plus souvent de la combinaison de pics de chargement, d'effets de localisation et de défauts de microstructure. C'est en ce sens que le dialogue entre mécaniciens et métallurgistes, et sa traduction en termes de modèles prédictifs, a permis de réels progrès en termes de sécurité de fonctionnement des structures.
Présenté en deux volumes, Endommagement et rupture des matériaux tente de faire l'état de l'art des connaissances acquises dans la compréhension et la modélisation des phénomènes de rupture et d'endommagement des matériaux et des structures, principalement métalliques.
Il apporte une double ouverture sur d'autres classes de matériaux d'une part (céramiques, géomatériaux, biomatériaux, etc.), et sur différents types d'applications (aéronautique, nucléaire) d'autre part. Il examine également le difficile problème - très important en pratique - de la tenue des assemblages eux-mêmes.
Avant-propos. Chapitre 1. Mécanismes physiques d'endommagement et de rupture des matériaux. Chapitre 2. Mécanique de la rupture. Chapitre 3. Plasticité cyclique et amorçage de fissures en fatigue. Chapitre 4. Propagation de fissures par fatigue. Chapitre 5. Fissuration favorisée par l'environnement. Chapitre 6. Contacts et surfaces. Chapitre 7. Lois de comportement pour les matériaux endommageables. Index. Sommaire du volume 2.

Sujets

• Physique
• Matériau
• Mécanique

Informations

• Publié par: Hermès - Editions Lavoisier
• Date de parution: 20 novembre 2009
• Nombre de lectures: 35
• EAN13: 9782746240629
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

Endommagement et rupture des matériaux 1



































© LAVOISIER, 2009
LAVOISIER
11, rue Lavoisier
75008 Paris

www.hermes-science.com
www.lavoisier.fr

ISBN volume 1 978-2-7462-2448-3
ISBN général 978-2-7462-2447-6


Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une part,
que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non
destinées à une utilisation collective" et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations
dans un but d'exemple et d'illustration, "toute représentation ou reproduction intégrale, ou
partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est
illicite" (article L. 122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce
soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du
Code de la propriété intellectuelle.
Tous les noms de sociétés ou de produits cités dans cet ouvrage sont utilisés à des fins
d’identification et sont des marques de leurs détenteurs respectifs.


Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, November 2009.





Endommagement

et rupture des matériaux 1



généralités, matériaux métalliques









sous la direction de

Michel Clavel

Philippe Bompard

















Il a été tiré de cet ouvrage
25 exemplaires hors commerce réservés
aux membres du comité scientifique,
aux auteurs et à l’éditeur
numérotés de 1 à 25
Endommagement et rupture des matériaux 1
sous la direction de Michel Clavel et Philippe Bompard
fait partie de la série MATÉRIAUX ET MÉTALLURGIE
série dirigée par André Pineau





Le traité Mécanique et Ingénierie des Matériaux répond au besoin de
disposer d’un ensemble complet de connaissances et méthodes nécessaires à
la maîtrise de ce domaine.

Conçu volontairement dans un esprit d’échange disciplinaire, le traité MIM
est l’état de l’art dans les domaines suivants retenus par le comité scientifique :


Géomécanique
Matériaux
Environnement et risques


Chaque ouvrage présente aussi bien les aspects fondamentaux
qu’expérimentaux. Une classification des différents articles contenus dans
chacun, une bibliographie et un index détaillé orientent le lecteur vers ses
points d’intérêt immédiats : celui-ci dispose ainsi d’un guide pour ses
réflexions ou pour ses choix.

Les savoirs, théories et méthodes rassemblés dans chaque ouvrage ont été
choisis pour leur pertinence dans l’avancée des connaissances ou pour la
qualité des résultats obtenus.















Liste des auteurs


Gérard BÉRANGER Dominique FRANÇOIS
Laboratoire Roberval MSSMAT
Université de technologie Ecole Centrale Paris
de Compiègne Chatenay-Malabry

Jacques BESSON Ivan GUILLOT
Centre des matériaux ICMPE
Ecole des Mines de Paris Université Paris XII
Evry Créteil

Philippe BOMPARD Gilbert HÉNAFF
MSSMAT LMPM
Ecole Centrale Paris Ecole nationale supérieure de
Chatenay-Malabry mécanique et d’aéronautique
Poitiers
Michel CLAVEL
MSSMAT André PINEAU
Ecole Centrale Paris Centre des matériaux
Chatenay-Malabry Ecole des Mines de Paris
Evry
Rodrigue DESMORAT
LMT Henry PROUDHON
Centre des matériaux ENS Cachan
Ecole des Mines de Paris
Evry Véronique DOQUET
LMS
Ecole Polytechnique
Palaiseau

Table des matières
Avant-propos....................................... 13
Chapitre 1. Mécanismes physiques d’endommagement
et de rupture des matériaux.............................. 17
André PINEAU
1.1. Introduction.................................... 17
1.2. Rupture ductile dans les métaux et les polymères ............. 18
1.2.1. Généralités ................................. 18
1.2.2. Germination des cavités ......................... 20
1.2.3. Croissance des cavités .......................... 23
1.2.4. Coalescence des cavités et critères de rupture ductile........ 26
1.3. Rupture fragile .................................. 29
1.3.1. Clivage dans les métaux et les céramiques .............. 29
1.3.1.1. Introduction ............................. 29
1.3.1.2. Dispersion et effet d’échelle ................... 32
1.3.1.3. Influence de la microstructure .................. 34
1.3.2. Rupture intergranulaire dans les métaux et les céramiques .... 34
1.3.3. Microcraquelure des polymères .................... 38
1.3.3.1. Amorçage des craquelures 40
1.3.3.2. Elargissement et rupture des craquelures ............ 40
1.4. Rupture quasi fragile des composites céramiques et du béton ...... 41
1.4.1. Composites céramiques ......................... 41
1.4.2. Rupture du béton ............................. 43
1.5. Transition rupture ductile-rupture fragile .................. 45
1.5.1. Introduction ................................ 45
1.5.2. Une approche simplifiée 46

















6 Endommagement et rupture des matériaux 1
1.5.3. Modèles avancés ............................. 47
1.5.3.1. Profil de contrainte en tête d’une fissure qui se propage... 47
1.5.3.2. Effet d’échantillonnage associé à la propagation
d’une fissure.................................. 48
1.5.3.3. Elimination des sites de clivage potentiels ........... 50
1.5.3.4. Application à la ténacité d’un acier 21/4Cr-1Mo ....... 51
1.6. Rupture en fluage ................................ 52
1.6.1. Introduction : comportement en fluage ................ 52
1.6.2. Introduction : endommagement en fluage............... 53
1.6.3. Germination des cavités de fluage ................... 56
1.6.4. Croissance des cavités par diffusion .................. 57
1.6.4.1. Croissance par diffusion...................... 57
1.6.4.2. Croissance par diffusion superficielle.............. 59
1.6.4.3. Croissance des cavités par diffusion contrainte ........ 59
1.6.4.4. Cartes des mécanismes de rupture ................ 61
1.7. Conclusion .................................... 63
1.8. Bibliographie ................................... 64
Chapitre 2. Mécanique de la rupture ........................ 73
Dominique FRANÇOIS
2.1. Introduction73
2.2. Contrainte théorique de rupture ........................ 76
2.2.1. Notion de contrainte théorique de rupture (niveau a) ........ 76
2.2.2. Calcul de la contrainte théorique de rupture (niveau b)....... 76
2.2.3. Autre calcul de la contrainte théorique de rupture (niveau c) ... 78
2.3. Concentration de contrainte .......................... 80
2.3.1. Notion de concentration de contrainte (niveau a) .......... 80
2.3.2. Facteur de concentration de contrainte au bord d’un trou elliptique
dans une plaque infinie soumise à une contrainte nominale uniforme
(niveau b) ..................................... 80
2.3.3. Calcul du champ de contrainte perturbé par une cavité elliptique
(niveau c)81
2.4. Mécanique de la rupture en élasticité linéaire................ 83
2.4.1. Notion de facteur d’intensité de contrainte (niveau a) ....... 83
2.4.2. Champs de déplacement, de déformation et de contrainte
à l’extrémité d’une fissure (niveau b) ..................... 87
2.4.3. Calcul des facteurs d’intensité de contrainte (niveau b) ...... 90
2.4.3.1. Fissure dans une plaque infinie ................. 90
2.4.3.2. Cas d’une fissure plane elliptique d’axes a et b, chargée
en mode I dans un massif infini sous contrainte homogène σ ..... 92






























Table des matières 7
2.4.4. Calcul des champs de déplacement, de déformation
et de contrainte à l’extrémité d’une fissure (niveau c) ........... 93
2.4.4.1. Calcul en mode III ......................... 93
2.4.4.2. Calcul en modes I et II....................... 94
2.4.4.3. Calcul du facteur d’intensité de contrainte pour une fissure
de longueur 2a soumise à deux forces concentrées égales
et opposées à une distance b de l’axe ................... 96
2.4.5. Taux de libération d’énergie (niveau a) ................ 97
2.4.6. Formule de la complaisance (niveau b)98
2.4.7. Relation entre le taux de libération d’énergie G et le facteur
d’intensité de contrainte K (niveau b) ..................... 99
2.4.8. Détermination de l’écartement des lèvres de la fissure (niveau b) . 100
2.4.9. Calcul de déplacements dans des pièces fissurées (niveau c) ... 101
2.5. Intégrale de Rice-Cherepanov ......................... 103
2.5.1. Généralités (niveau a) .......................... 103
2.5.2. Diverses expressions de J ........................ 103
2.5.3. Propriétés de l’intégrale J (niveau c).................. 105
2.5.3.1. L’intégrale J est indépendante du contour d’intégration ... 105
2.5.3.2. La densité d’énergie de déformation est inversement
proportionnelle à la distance r à l’extrémité de la fissure ....... 106
2.5.3.3. L’intégrale J est égale au taux de libération d’énergie
(si la fissure se propage sans déviation) ................. 107
2.5.3.4. J est fonction de l’aire sous-tendue par la courbe
de la charge en fonction du déplacement ................. 108
2.5.4. Généralisation à la plasticité (niveau c) ................ 109
2.6. Zones plastifiées en tête de fissure ...................... 110
2.6.1. Description des zones plastifiées en tête de fissure (niveau a)... 110
2.6.1.1. Généralités .............................. 110
2.6.1.2. Zone plastifiée en contrainte plane ............... 110
2.6.1.3. Zone plastifiée en déformation plane .............. 111
2.6.1.4. Fissures débouchant sur une surface libre ........... 112
2.6.2. Description détaillée des zones plastifiées en tête de fissure
(niveau b) ..................................... 113
2.6.2.1. Zone plastifiée en contrainte plane ............... 113
2.6.2.2. Zone plastifiée en déformat