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Propriétés mécaniques à haute température des matériaux : connaissances clés pour l'industrie des machines

Dans des domaines industriels tels que l'aérospatiale, l'énergie et le génie chimique, de nombreux composants mécaniques fonctionnent à des températures élevées pendant de longues périodes, notamment les moteurs, les chaudières et les équipements de raffinage du pétrole. Ces composants imposent des exigences strictes sur les propriétés mécaniques à haute température des matériaux. L'évaluation précise des matériaux, leur utilisation rationnelle et le développement de nouveaux matériaux résistants aux hautes températures sont devenus des tâches cruciales pour l'avancement de ces industries et de la recherche en science des matériaux. Cet article détaille les connaissances essentielles relatives aux propriétés mécaniques à haute température des matériaux, fournissant des informations précieuses pour le secteur de la machinerie.

1. Définition de « haute température » pour les matériaux métalliques

La classification « haute » ou « basse » température est relative au point de fusion du métal. Un critère courant est la « température homologue » T/Tm (où Tm désigne le point de fusion du matériau). Lorsque T/Tm > 0,4-0,5, la température est considérée comme élevée pour ce matériau spécifique.

Exemples d'applications pratiques :

La température de fonctionnement des moteurs d'avions civils approche les 1 500 °C, tandis que celle des moteurs d'avions militaires atteint environ 2 000 °C.
Les températures de fonctionnement localisées des véhicules aérospatiaux peuvent atteindre 2 500 °C.
Pour les pipelines haute température et haute pression dans les équipements chimiques, même si la contrainte appliquée est inférieure à la limite d'élasticité du matériau à la température de fonctionnement, une déformation plastique continue peut se produire lors d'une utilisation à long terme, entraînant une dilatation progressive du diamètre des tuyaux et une rupture potentielle.

2. Effets de la température et du temps sur les propriétés des matériaux

Les propriétés mécaniques des matériaux sont considérablement influencées à la fois par la température et la durée de la charge dans des conditions de température élevée, ce qui diffère sensiblement des propriétés mécaniques à température ambiante.

2.1 Effet de la température

Généralement, à mesure que la température augmente, la résistance des matériaux métalliques diminue tandis que leur plasticité augmente.

2.2 Effet de la durée de la charge

Lorsque σ < σs (limite d'élasticité), le fluage peut se produire pendant le service à long terme, entraînant potentiellement une rupture.
Avec une durée de charge prolongée, la résistance à la traction de l'acier à haute température diminue.
Sous tension à haute température à court terme, la plasticité du matériau augmente ; cependant, sous charge à long terme, la plasticité des matériaux métalliques diminue considérablement, la sensibilité à l'entaille augmente et une rupture fragile se produit souvent.
L'effet combiné de la température et du temps influence également le trajet de rupture des matériaux.

2.3 Température d'égale résistance (TE)

À mesure que la température augmente, la résistance des grains et la résistance des joints de grains diminuent. En raison de la disposition atomique irrégulière aux joints de grains, la diffusion se produit plus facilement le long de ces joints, ce qui entraîne une diminution plus rapide de la résistance des joints de grains. La température à laquelle la résistance des grains est égale à celle des joints de grains est définie comme la température d'égale résistance (TE).

Lorsque les matériaux fonctionnent au-dessus de TE, le mode de rupture passe de la rupture transgranulaire courante à la rupture intergranulaire.
TE n'est pas une valeur fixe, mais est considérablement affectée par la vitesse de déformation. Étant donné que la résistance des joints de grains est beaucoup plus sensible à la vitesse de déformation que la résistance des grains, TE augmente avec l'augmentation de la vitesse de déformation.

En résumé, l'étude des propriétés mécaniques des matériaux à haute température doit intégrer à la fois la température et le temps comme facteurs critiques.

3. Phénomène de fluage dans les matériaux métalliques

3.1 Définition du fluage

Le fluage fait référence au phénomène par lequel les métaux subissent une déformation plastique lente dans des conditions de température et de charge constantes à long terme, même lorsque la contrainte est inférieure à la limite d'élasticité à cette température. La rupture causée par la déformation par fluage est connue sous le nom de rupture par fluage. Bien que le fluage puisse se produire à basse température, il devient particulièrement perceptible lorsque la température homologue dépasse 0,3. Par exemple :

Les effets du fluage doivent être pris en compte pour l'acier au carbone au-dessus de 300 °C et l'acier allié au-dessus de 400 °C.

3.2 Processus de fluage des métaux

La courbe de fluage des métaux comprend généralement trois étapes (sous contrainte et température constantes) :

Phase de fluage primaire (phase de fluage transitoire) : Caractérisée par un taux de fluage initial élevé qui diminue progressivement avec le temps, atteignant un minimum à la fin de cette phase.
Phase de fluage secondaire (phase de fluage en régime permanent) : Le taux de fluage reste presque constant pendant cette phase. Le taux de fluage des métaux est généralement défini comme le taux de fluage en régime permanent ε de cette phase.
Phase de fluage tertiaire (phase de fluage accéléré) : Le taux de fluage augmente progressivement avec le temps, entraînant finalement une rupture par fluage.