Croissance de fissures par fatigue sous-critique dans les manifolds haute pression
Manifolds haute pression
sont soumises pendant longtemps à des charges alternées entre 40 MPa et 100 MPa. Un composant sans fissure ou avec une fissure initiale ne cédera pas lorsque le facteur d’intensité de contrainte K produit par la combinaison de la charge externe statique et de la fissure est inférieur à la ténacité à la fracture Kc de l’objet. Cependant, sous des charges alternées répétées, la fissure grandit lentement. Lorsque la fissure passe de la longueur initiale a0 à la taille critique ac, une rupture instable se produit. C’est ce qu’on appelle une défaillance par fatigue. Le processus de croissance de fissure de a0 à ac sous contrainte alternée s’appelle la croissance de fissure par fatigue subcritique.
La recherche sur le comportement de croissance des fissures sous charges alternées revêt une importance très importante pour les structures d’ingénierie pratiques. Lorsque des dommages initiaux existent dans une structure d’ingénierie, tels que des défauts internes, des microfissures ou des inclusions, la fracture peut ne pas survenir sous charge de travail au début du service. Cependant, la plupart des structures d’ingénierie sont soumises à des charges cycliques alternées ou même à des charges d’impact pendant le service, et sous ces charges, les dommages initiaux dans la structure augmentent lentement. Une fois que la combinaison de la charge externe et de la longueur de la fissure fait que le facteur d’intensité de contrainte atteint la valeur critique, la structure échoue. Le nombre de cycles de charge subis entre la fissure initiale et la longueur critique de la fissure est appelé la durée de vie de croissance de la fissure par fatigue de la structure. Avant l’apparition de la mécanique de la fracture, la conception traditionnelle de la fatigue reposait sur de petits échantillons lisses. Bien que cette méthode de conception traditionnelle ait apporté des contributions majeures à la prévention de la défaillance par fatigue des composants, elle ne prenait pas en compte les défauts possibles des composants réels et ne reflétait pas les lois de croissance des fissures. Par conséquent, ses résultats sont parfois dangereux et parfois trop prudents. L’application des principes de la mécanique de la fracture pour étudier les lois de croissance des fissures par la fatigue et l’établissement de méthodes de calcul de la conception de la fatigue sur cette base constituent un complément important et un développement de l’analyse traditionnelle de la fatigue. Pour prédire plus précisément la durée de vie de croissance des fissures par fatigue, cet article étudie les lois de croissance des fissures sous différents types de charges alternées.
Initiation et croissance de la fissure sous charge alternée
Le processus de fracture par fatigue des matériaux métalliques est très complexe. Pour la plupart des problèmes d’ingénierie pratiques, y compris les manifolds haute pression et les composants similaires, les charges et contraintes varient souvent alternativement avec le temps. Sous cette charge alternée, les composants peuvent subir une défaillance due à la fatigue. En général, les fissures de fatigue commencent sur la surface du composant puis augmentent progressivement jusqu’à ce que la contrainte atteigne une valeur critique, après quoi une croissance instable se développe et une fracture soudaine se produit.
Loi de croissance des fissures sous charge alternée d’amplitude constante
D’abord, la croissance des fissures sous une charge alternée d’amplitude constante est étudiée. Bien que cette forme de fatigue soit rarement observée dans les structures réelles, elle est facile à tester sur des machines ordinaires de test de fatigue. De plus, les lois de croissance des fissures par fatigue obtenues à cause de cette condition peuvent servir de base pour étudier la croissance des fissures sous d’autres types de charges de fatigue. Par conséquent, la plupart des données de croissance des fissures par fatigue pour les matériaux sont obtenues sous charge de fatigue.
Facteurs affectant la vitesse de croissance des fissures et l’interaction entre les charges
La discussion ci-dessus montre que la plage du facteur d’intensité de contrainte à la pointe de la fissure est le principal paramètre déterminant la vitesse de croissance de la fissure. Cependant, de nombreux autres facteurs influencent également le taux de croissance des fissures par fatigue. Bien que leur influence soit secondaire par rapport à la plage des facteurs d’intensité de contrainte, ils sont importants pour comprendre les lois de croissance des fissures et améliorer la résistance des matériaux à la fracture par fatigue. Plusieurs facteurs influençant le taux de croissance des fissures sont présentés ci-dessous.
Effet des pics de surcharge
Lorsqu’un pic de surcharge apparaît sous une contrainte alternée sous une amplitude de contrainte normale, il produit un effet de retard sur la croissance ultérieure de la fissure lors de cycles contraintes-amplitude plus faibles. Les tests montrent que ce retard dépend de l’ampleur de la surcharge. Plus le pic de surcharge est élevé, plus le retard est important. Plusieurs surcharges causent un retard supplémentaire. Une surcharge très élevée peut même arrêter complètement la croissance des fissures lors des cycles de faible amplitude qui suivent.
Effet de la fréquence de charge
De manière générale, plus la fréquence de charge est faible, plus le taux de croissance de la fissure est élevé ; Plus la fréquence de charge est élevée, plus le taux de croissance des fissures est faible. Dans la plage de fréquences basse, l’influence fréquentielle est faible ; dans la plage plus élevée, l’influence fréquentielle devient plus significative. L’interaction de charge doit également être prise en compte.
Le comportement de croissance des fissures sous une charge de fatigue à amplitude constante n’est qu’un point de départ. Dans les structures d’ingénierie réelles, la plupart des charges cycliques sont des charges à amplitude variable. Parce que des charges d’amplitudes différentes apparaissent dans le spectre de charge, il existe une interaction entre ces charges à amplitudes différentes, qui influencent le taux de croissance des fissures par fatigue. De nombreuses études expérimentales montrent qu’après l’apparition de charges à haute amplitude dans le spectre des charges, le taux de croissance subséquent des fissures diminue et nécessite un certain nombre de cycles pour revenir à son taux de croissance normal. Après l’apparition d’une charge négative à haute amplitude, le taux de croissance de fissures augmente. Par conséquent, lors de l’étude des caractéristiques de croissance des fissures et de la prédiction de la durée de vie de cette croissance, l’influence de l’interaction de la charge doit être prise en compte.
Le cas le plus simple consiste à ajouter une charge de crête élevée à une charge cyclique à amplitude constante. Cette charge de pic élevée s’appelle la surcharge. Les caractéristiques de changement du taux de croissance des fissures après une surcharge ont été largement étudiées au cours des vingt dernières années. Les recherches montrent qu’après chaque surcharge, le taux de croissance des fissures diminue considérablement.
L’effet de retard causé par la surcharge porte les conclusions suivantes :
1) Une contrainte résiduelle existe dans la grande zone plastique produite par la surcharge. L’effet combiné de la contrainte de compression résiduelle avant la fissure et de la contrainte de traction appliquée réduit le facteur d’intensité de contrainte effective, diminuant ainsi le taux de croissance de la fissure.
2) Une déformation compressive résiduelle existe dans la zone plastique produite par la surcharge. Lorsque la pointe de la fissure entre dans la traînée plastique, la déformation résiduelle ferme la fissure. Parce que la contrainte nécessaire à la réouverture de la fissure est supérieure à la contrainte minimale de la charge cyclique, le taux de croissance diminue.
3) La surcharge provoque un émoussement de la pointe de fissure, réduisant le taux de croissance de la fissure.
Loi de croissance des fissures sous charge alternée d’amplitude variable
D’après l’influence des pics de surcharge sur la croissance des fissures par fatigue, on peut en déduire qu’en cas de charge à amplitude variable, des cycles de fatigue de différentes amplitudes s’influencent mutuellement. L’examen de cet effet rend le calcul de la croissance des fissures par fatigue très complexe. En ingénierie, la règle linéaire des dégâts cumulatifs de Miner est largement utilisée. Il ignore l’influence entre les cycles de fatigue de différentes amplitudes, calcule indépendamment la quantité de croissance des fissures sous chaque amplitude, puis obtient la croissance totale selon la superposition linéaire.
Pour la croissance de fissures par fatigue sous des cycles d’amplitude variable, quelle que soit la méthode d’analyse utilisée, une connaissance suffisante de la charge est requise. Il convient de noter que l’ordre des cycles d’amplitudes différentes ne peut pas être inversé dans le calcul, et que les cycles de la même amplitude séparés par une autre charge d’amplitude ne peuvent pas simplement être additionnés.
De plus, comme les pics de surcharge retardent la croissance des fissures par fatigue, les résultats calculés selon la règle des dommages cumulatifs linéaires de Miner sont prudents.
Analyse de la durée de vie de la croissance des fissures des manifolds haute pression
Lorsqu’une fissure ne produit pas de fracture à événement unique, mais sous des charges alternées, l’amplitude des contraintes dépasse une certaine valeur, une petite fissure initiale dans la structure, ou même une fissure générée sous une charge alternée sans fissure initiale, augmente progressivement jusqu’à la rupture. Ce processus est la croissance de la fissure, et le nombre de cycles de charge alternée dans ce processus correspond à la durée de vie de croissance de la fissure.
Conclusions et analyse
Sur la base des tests de propriétés des matériaux et de l’analyse et du calcul ci-dessus, les conclusions suivantes peuvent être obtenues concernant la sécurité des composants typiques en cas de fracture :
1) Parce que le nombre de cycles de charge alternés pendant le service est relativement faible et que la valeur de contrainte n’est pas élevée, les résultats des analyses issues de la théorie de la fatigue et de la croissance des fissures montrent que la durée de vie sûre est supérieure à 20 ans.
2) Même si la plupart des raccords de tuyauterie tombent en panne, la fuite survient en premier et fournit un avertissement, ce qui est favorable pour la sécurité.
3) Il est recommandé d’effectuer une inspection NDT sur le Manifold tous les 2 à 3 ans. Lorsque des fissures sont détectées, comparez-les avec les valeurs indiquées dans le tableau. Si la fissure est en état sûr, le composant peut continuer à être utilisé, mais il faut observer un changement de croissance de fissure afin que les problèmes puissent être diagnostiqués à temps et que le Manifold puisse fonctionner de manière sûre et fiable.
