La problématique ?
Etude de faciès de rupture d’ancrage métallique, comment FILAB a trouvé l’origine de la défaillance ?
Un ancrage métallique est un dispositif utilisé pour fixer solidement des éléments à une structure ou un support. Ces ancrages sont conçus pour résister à des charges importantes, y compris des charges de traction et/ou de cisaillement et sont souvent utilisés pour fixer des éléments structuraux à du béton ou d’autres matériaux de construction.
L’objectif de cette étude est d’expertiser un ancrage métallique ayant rompu afin d’identifier la cause de cette défaillance. En effet, le client souhaite optimiser la sécurité et la fiabilité de son environnement ainsi que l’amélioration de la durabilité de ses installations. Cet ancrage est en acier inoxydable et sert à supporter des damiers réfractaires dans des fours de production d’argiles ou de briques.
Afin d’identifier cette cause, FILAB a réalisé des analyses fractographiques dans un premier temps puis un bilan santé matière de la tige dans un second temps à l’aide de différentes techniques et ce sur deux échantillons.
Analyses fractographiques
Les deux pièces ont été minutieusement découpées dans l’atelier de FILAB afin d’observer leur faciès de rupture à la loupe binoculaire et au MEB-EDX.
La technique de la loupe binoculaire
Les observations optiques mises en œuvre à la loupe binoculaire ont permis d’aboutir aux informations suivantes :
Un méplat a été observé sur le bord des deux faciès.
Les deux faciès de rupture de la pièce ont un aspect corrodé.
Le MEB-EDX
Les observations MEB et les analyses EDX mises en œuvre ont permis d’aboutir aux informations suivantes :
- Des cupules ont été identifiées, elles peuvent correspondre à une zone de fin d’arrachement lors de la rupture de la pièce.
- La majorité des deux faciès de rupture est recouverte de corrosion composée d’Oxygène (O), de Chrome (Cr), de Nickel (Ni) et de Fer (Fe).
- Des zones de facettes, caractéristiques d’une rupture intergranulaire fragile de la pièce ont été observées au MEB. Les analyses EDX quant à elles indiquent de fortes teneurs en Fer (Fe) et en Chrome (Cr) mais sans Nickel (Ni) pouvant témoigner d’une différence de phase dans ces zones.
Bilan santé matière
Analyse élémentaire de C et S at analyse par ICP-AES
Les résultats des analyses chimiques réalisées sur les deux ancrages métalliques respectent les spécifications de la nuance X6CrNi25-20 (1.4951) selon la norme NF EN 10088-1.
Analyse micrographique
Lors de cette étape, le faciès de rupture a été découpé à la micro-tronçonneuse dans le sens longitudinal afin d’observer la microstructure proche de la zone de rupture et au cœur de la pièce. La préparation a ensuite été enrobée à froid dans une résine acrylique puis polie jusqu’au grade 0,15μm.
Les observations par microscopie optique mises en œuvre ont permis d’aboutir aux informations suivantes :
- Avant révélation chimique, le cœur de l’échantillon comporte quelques porosités de petites dimensions. En peau, des porosités de grandes dimensions et une épaisse couche de corrosion sont présentes.
- Après révélation chimique, des grains maclés (bandes dans les grains) sont visibles sur tout l’échantillon. Ces grains sont caractéristiques de la phase d’austénite, en adéquation avec la nuance de l’acier inoxydable.
- Des précipitations de phases sigma sont réparties de manière homogène au cœur de l’échantillon. En peau, ces précipités sont localisés aux joints de grains.
Mesure de dureté
Les mesures de dureté ont été réalisées sur la préparation métallographique précédemment observée. On observe que des différences de valeurs de dureté sont à noter selon les zones de l’échantillon. La dureté en peau est plus élevée que la dureté à cœur. D’autre part, la dureté à cœur est en dessous des valeurs théoriques attendues pour cette nuance (158HV au lieu de 160 – 225HV).
Les résultats obtenus
Les analyses mises en œuvre dans cette étude ont mené aux informations suivantes :
Analyses fractographiques :
La majorité des deux faciès de rupture sont recouvertes de corrosion. Elles sont d’ailleurs composées majoritairement d’Oxygène, de Chrome, de Nickel et de Fer. Des cupules ont été identifiées qui peuvent correspondre à une zone de fin d’arrachement lors de la rupture de la pièce.
Bilan santé matière :
Les résultats des analyses chimiques respectent les spécifications de la nuance X6CrNi25-20 (1.4951) selon la norme NF EN 10088-1.
Les analyses micrographiques ont permis d’aboutir aux informations suivantes :
En peau, des porosités de grandes dimensions et une épaisse couche de corrosion sont présentes.
Des précipitations de phases sigma sont réparties de manière homogène au cœur de l’échantillon. En peau, ces précipités sont localisés aux joints de grains.
Conclusion de l'étude
En conclusion, l’étude menée par FILAB a révélé que l’ancrage métallique en question a subi une dégradation significative de ses propriétés mécaniques due à l’exposition prolongée à de hautes températures (four de production). Cette exposition a entraîné des changements dans la microstructure de l’acier, notamment par la migration de la phase sigma aux joints de grains, ce qui a réduit sa résistance et augmenté sa fragilité. Le phénomène de fluage à chaud, caractérisé par une déformation progressive sous l’effet d’une contrainte constante à haute température, a finalement conduit à la rupture de l’ancrage.
Cette analyse approfondie met en lumière l’importance de prendre en compte les conditions d’utilisation extrêmes dans la conception et le choix des matériaux pour des applications critiques.
Ainsi, le client est en mesure de trouver des solutions pour éviter que cela ne se reproduise pour une meilleure durabilité de ses installations et une meilleure sécurité et fiabilité de son environnement.
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