Comment FILAB a aidé un de ses clients à déterminer la cause de rupture d'une tige de piston en acier ?
Un piston est un composant mécanique crucial dans de nombreux équipements mécaniques en l’occurrence et aussi en systèmes d’ingénierie. Les pistons permettent diverses applications notamment ; la conversion d’énergie, la création de pression, le contrôle des fluides, l’amortissement etc…
Le client a fait appel à FILAB, laboratoire spécialisé en caractérisation de matériaux et analyses chimiques, afin de déterminer la cause de rupture d’une tige de piston en acier. Il souhaite dans un premier temps, vérifier la nuance de cette pièce et dans un second temps, réaliser une étude fractographique.
Détermination de la nuance d'acier
Quelles sont les techniques d’analyses que le laboratoire FILAB a décidé de mettre en application pour réaliser l’analyse chimique du piston défaillant ?
Analyses par analyseur élémentaire
L’analyse chimique par Analyseur Elémentaire C/S a pour objectif de déterminer de façon spécifique la teneur en carbone et soufre de l’échantillon.
Analyse par ICP-AES
L’analyse par Spectroscopie d’Emission Atomique avec Plasma à Couplage Inductif (ICP-AES) afin de rechercher et quantifier les éléments chimiques présents dans l’échantillon.
Ces analyses chimiques du piston ont permis de mettre en évidence que les teneurs obtenues sont en adéquation avec celles d’un acier non allié de construction.
Analyse fractographique du piston
Observation à la loupe binoculaire
La technique de la loupe Binoculaire permet de réaliser des observations macroscopiques. Les observations mises en œuvre à la loupe binoculaire ont permis d’aboutir aux informations suivantes :
- La zone d’initiation de rupture suit une partie du pourtour de la pièce et mesure quelques millimètres d’épaisseur.
- La majorité du faciès de rupture a un aspect brillant et granuleux avec la présence de lignes de propagation et de reliefs. Des zones sombres sont présentes et peuvent correspondre à des pollutions ou à de la corrosion apparue après rupture de la pièce. Quelques zones de matages (zones déformées par chocs après la rupture) sont également présentes de manière minoritaire.
- La zone de fin d’arrachement a été observée. Elle suit le pourtour de la pièce sur une petite portion.
Observations approfondies par MEB-EDX
- Dans la zone d’initiation de rupture, des micro-stries ont été identifié. Ils peuvent être issues d’un phénomène de fatigue sur la pièce. Cette partie du faciès est riche en Carbone (C) mais cette concentration provient probablement de pollutions organiques en surface
- La majorité du faciès de rupture correspond à une rupture fragile transgranulaire avec la présence de rivières de clivage, témoignant d’une rupture brutale.
- La zone de fin d’arrachement comporte des cupules en adéquation avec une rupture ductile. Comme pour la zone d’initiation de rupture, de nombreuses pollutions organiques sont présentes.
Les résultats obtenus...
Les analyses chimiques mises en œuvre dans cette étude ont permis de déterminer la nature du piston qui s’avère être un acier non allié de construction.
D’autre part, concernant l’analyse fractographique, il a été déterminé que la zone d’initiation de rupture a été identifiée sur une partie du pourtour de la pièce. Elle comporte des micro-stries, pouvant être issues d’un phénomène de fatigue (cycles de charges et décharges mécaniques en flexion).
La majorité du faciès de rupture correspond à une rupture fragile transgranulaire avec la présence de rivières de clivage, témoignant d’une rupture brutale.
Conclusion de l'étude
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Notre FAQ
L’investigation associe la vérification de la composition de l’acier et l’examen du faciès de rupture. Dans cette étude, FILAB a utilisé l’analyse élémentaire C/S, l’ICP-AES, la loupe binoculaire et le MEB-EDX. Cette combinaison a permis d’identifier le matériau et de distinguer plusieurs étapes dans le mécanisme de rupture.
La composition chimique permet de vérifier la cohérence du matériau avec la nuance attendue et de cadrer l’expertise. Pour cette tige de piston, les teneurs mesurées par analyse élémentaire et ICP-AES étaient compatibles avec un acier non allié de construction. Ce résultat complète l’étude fractographique, sans expliquer à lui seul l’origine de la défaillance.
Des micro-stries dans la zone d’initiation peuvent orienter vers un mécanisme de fatigue sous sollicitations répétées. Dans cette étude, elles ont été observées sur une partie du pourtour de la tige. Leur interprétation doit être rapprochée de la géométrie de la pièce et de son historique de chargement, notamment des éventuels cycles de flexion.
Les rivières de clivage sont des indices d’un mode de rupture fragile transgranulaire. Sur la tige étudiée, elles occupaient la majeure partie du faciès et témoignaient d’une propagation brutale. Elles ont été distinguées des micro-stries de la zone d’initiation et des cupules présentes dans la zone finale d’arrachement.
Plusieurs modes de rupture peuvent se succéder sur une même pièce. Dans ce cas, l’expertise a mis en évidence une amorce compatible avec la fatigue, une zone majoritairement fragile et une fin d’arrachement ductile. Cette lecture d’ensemble permet de reconstituer le scénario de défaillance avec davantage de précision qu’un examen limité à une seule zone.
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