Essais à faible vitesse de déformation (SSRT)

L’essai de déformation à faible vitesse (SSRT) est une méthode utilisée pour déterminer les seuils de contrainte et la susceptibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte en appliquant une vitesse d’allongement constante aux matériaux, notamment dans des environnements tels que les industries nucléaire et aérospatiale. Généralement décrite en détail dans la norme ASTM G129, « Méthode d’essai normalisée pour les essais de déformation à faible vitesse afin d’évaluer la susceptibilité des matériaux métalliques à la fissuration induite par l’environnement », il s’agit d’une technique d’évaluation rapide des matériaux qui évalue la susceptibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte ou à la fragilisation par l’hydrogène en appliquant une vitesse d’allongement très lente (généralement jusqu’à 100 nm) à un échantillon dans un environnement spécifique. Cette technique classe les performances des matériaux dans des environnements corrosifs en induisant une rupture accélérée par rapport aux essais conventionnels.

Les essais à faible vitesse d'allongement désignent des essais mécaniques réalisés à des vitesses de déformation délibérément lentes, bien inférieures à celles des essais de traction conventionnels (qui utilisent généralement des vitesses de déformation élevées). Ces essais sont essentiels en science et ingénierie des matériaux pour deux raisons principales :

Pour évaluer le comportement des matériaux dans des conditions de chargement lent qui simulent les conditions réelles d'utilisation (par exemple, un comportement de type fluage ou des charges statiques prolongées).
Évaluer la sensibilité aux phénomènes de fissuration induits par l'environnement, tels que la fissuration par corrosion sous contrainte et la fragilisation par l'hydrogène.

La méthode la plus courante est l'essai de traction à vitesse de déformation lente (SSRT), également appelé essai de traction à vitesse de déformation constante. Lors de cet essai, une éprouvette de traction lisse est soumise à une faible vitesse de déformation constante tout en étant exposée à un milieu spécifique (abrasif, haute température ou gaz). Les vitesses de déformation typiques se situent entre ^10⁻⁸ et ^10⁻³ s⁻¹ ^{, et les valeurs courantes pour les études de fissuration par corrosion sous contrainte sont de l'ordre de}^10⁻⁵ à ^10⁻⁷ s⁻¹ ^. La faible vitesse de déformation permet aux interactions environnementales (par exemple, la corrosion, la diffusion de l'hydrogène ou la dégradation du film passif) d'influencer la formation et la propagation des fissures, effets qui peuvent ne pas être observés lors d'essais plus rapides.

Les matériaux sont sensibles à la vitesse de déformation : leur résistance, leur ductilité et leurs modes de rupture peuvent varier considérablement en fonction de la vitesse de déformation.

Sous des vitesses de déformation élevées (par exemple, suite à des impacts ou des collisions), de nombreux métaux et polymères deviennent plus résistants mais aussi plus fragiles.
À faible vitesse de déformation, les effets visqueux ou dépendant du temps deviennent prédominants. Par exemple, le fluage des métaux à haute température ou l'augmentation de l'agression environnementale dans les milieux abrasifs. Par exemple, la pâte à modeler s'étire énormément lorsqu'on la tire lentement, mais se casse lorsqu'on la tire rapidement.

Lors d'essais de traction réalisés sur de l'acier doux à faible vitesse de déformation, les chercheurs ont observé des différences de limite d'élasticité, de résistance à la traction et d'allongement uniforme en fonction de la vitesse de déformation choisie dans ce domaine. Même des éprouvettes de conception non standard peuvent donner des résultats reproductibles pour ces propriétés.

Les faibles vitesses de déformation des polymères et des composites permettent de simuler les conditions de service à long terme (par exemple, un réchauffement lent du tableau de bord d'un véhicule), tandis que des vitesses élevées sont nécessaires pour la modélisation des collisions.

Les essais de vitesse de déformation lente suivent généralement les étapes suivantes :

Une éprouvette de traction standard (plate ou parfois entaillée) est montée sur une machine d'essai avec un contrôle précis et lent de la traverse.
L'échantillon est exposé au milieu approprié (par exemple, eau salée, eau à haute température dans les simulations nucléaires, gaz contenant du sulfure d'hydrogène pour les applications pétrolières ou air comme référence).
Elle est étirée continuellement à un rythme faible et constant jusqu'à ce qu'elle se rompe.
Les principaux critères sont les suivants :
- Temps de défaillance
- prolongation de l'échec
- Réduction de section (mesure de la ductilité)
- Tension maximale
- Fractographie post-essai (utilisation de la microscopie électronique à balayage (MEB) pour comparer les piqûres ductiles, la fissuration fragile, la fissuration intergranulaire ou intragranulaire)

Les essais sont généralement réalisés à la fois dans le milieu agressif et dans un milieu de référence inerte (par exemple, l'air ou l'argon) à des fins de comparaison. Une réduction significative de la ductilité dans le milieu agressif indique une susceptibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte ou à la fragilisation par l'hydrogène.

L'essai de vitesse de déformation lente oscillante est une variante qui perturbe de manière répétée les films passifs protecteurs en ajoutant de petits cycles de charge autour du point de limite élastique, ce qui le rend plus agressif pour évaluer la durabilité à long terme des alliages tels que les aciers inoxydables ou les alliages de nickel.

Les normes qui régissent les essais de résistance à la traction lente sont les suivantes :

ASTM G129 : Procédure générale pour les essais à faible vitesse de déformation.
ISO 7539-7 : Essai de fissuration par corrosion sous contrainte à faible vitesse de déformation.
NACE TM0198 : Pour les alliages résistants à la corrosion en milieux acides.

Les principaux domaines d'application de la méthode d'essai à vitesse de déformation lente sont les suivants :

Fissuration par corrosion sous contrainte et fragilisation par l'hydrogène : largement utilisées dans les secteurs du pétrole et du gaz (pipelines en milieu acide), du nucléaire (réacteurs à eau pressurisée et aciers inoxydables irradiés dans l'eau bouillante des réacteurs), de l'aérospatiale et de la chimie. Elles permettent de trier les alliages, d'évaluer les conditions environnementales (pH, température, potentiel) et d'étudier les mécanismes impliqués.
Effets de l'irradiation : Les essais à faible vitesse de déformation sur des matériaux irradiés révèlent un durcissement, une perte de ductilité et une canalisation des dislocations conduisant à une fragilité.
Propriétés générales de traction : essais à faible vitesse de déformation sur des aciers ou d’autres métaux pour comprendre le comportement dépendant de la vitesse sans influences environnementales.
Outil de numérisation : Sa rapidité relative (de quelques heures à quelques jours) par rapport aux essais de charge statique qui peuvent prendre des mois ou des années en fait une excellente méthode pour la qualification des matériaux et les études mécanistiques.

Par exemple, dans la recherche nucléaire, des essais à faible vitesse de déformation dans de l'eau de réacteur à eau pressurisée simulée à environ 7,4 x 10⁻⁷ ^s⁻¹^ont montré un durcissement par irradiation atteignant la saturation autour de 10 dPa, une ductilité diminuée à des doses plus élevées et un fendillement ou une fissuration intergranulaire occasionnels.

Les avantages de cette méthode sont les suivants :

Accélérée mais réaliste pour les essais de contrainte dynamique en conditions abrasives.
Configuration simple, reproductible et polyvalente (échantillons plats/encochés, supports variés).
Elle fournit des indicateurs quantitatifs clairs (par exemple, les rapports de ductilité) et des preuves fractographiques.

Cependant, cette méthode présente certaines limites :

Le taux de tension doit être choisi avec soin : trop lent ou trop rapide peut compromettre la précision.
Les implications sont importantes : les matériaux peuvent échouer aux tests mais fonctionner correctement en service (nécessitant une corrélation avec d'autres tests tels que les données de terrain ou la mécanique de la rupture).
L'interprétation peut être complexe : une ductilité réduite peut résulter de la formation, de la propagation ou des deux d'une fissure.
Elle n'est pas idéale pour tous les matériaux : certaines critiques suggèrent qu'elle peut exagérer les risques par rapport à une charge statique.

Depuis de nombreuses années, notre organisation, forte de son personnel compétent et expérimenté, comprend les besoins de ses clients, leur fournit les services d'essais avancés requis et les accompagne dans la mise en place, l'implémentation et l'amélioration de leurs systèmes de management. Dans ce cadre, nous proposons également des services d'essais de déformation à faible vitesse (SSRT) aux entreprises.