Fluage

Le fluage est le phénomène physique qui provoque la déformation irréversible différée (c'est-à-dire non-instantanée) d’un matériau soumis à une contrainte constante (notée $\sigma _{0}$), inférieure à la limite d'élasticité du matériau, pendant une durée suffisante. Le fluage ainsi que la relaxation de contrainte sont deux méthodes en quasi statique de caractérisation des matériaux visqueux (cas du béton).

Tests et mesures

Essai de fluage à chaud.

Ils servent notamment à tester et prédire les déformations et dégradation des constructions (ponts, bâtiments réacteurs de centrales nucléaires en béton précontraint, etc.) qui influeront sur leurs performances et qualité au cours de leur vieillissement ou en cas d'aléa sismique.

En pratique, lors d'essais de fluage, les éprouvettes sont le plus souvent soumises à une force constante appelée sollicitation. La contrainte est alors supposée constante, à condition que la variation de section de l'éprouvette soit très faible. La contrainte est définie comme le rapport d'une force sur une surface (c'est-à-dire une pression). La déformation (la réponse à la contrainte) $\varepsilon _{0}(t,\sigma _{0}$) dépend de conditions extérieures à la pièce : temps (t), valeur de la contrainte, température, pression, etc.

Concernant ce type d'essai mécanique, deux cas se présentent :

• pour un essai de traction, un poids est imposé à une éprouvette (utilisation d'une masse suspendue) ;
• tandis que pour un essai de cisaillement, un couple de torsion est imposé.

Pour un matériau viscoélastique, la déformation correspond à l'élasticité instantanée, à l'élasticité retardée et à l'écoulement visqueux.

L'expérience de fluage peut être contrôlée en mesurant la variation de l'éprouvette après avoir retiré la contrainte appliquée. Le matériau a subi une déformation permanente (ou résiduelle) reliée à l'écoulement irréversible. Ce phénomène concerne surtout les fluides viscoélastiques. Plus la durée de la contrainte a été longue, plus la déformation permanente est importante.

Dans le cas d'un polymère, le fluage a pour origine le phénomène de glissement des chaînes macromoléculaires les unes par rapport aux autres.

Pour éviter ce phénomène d'écoulement, il faut diminuer le glissement. Une solution consiste à procéder à la réticulation du polymère, qui créera des liaisons covalentes entre ses chaînes (pontage). La déformation du solide viscoélastique obtenu sera plus faible que celle du matériau fluide.

Modes

Fluages primaire, secondaire et tertiaire.

Lors d'un essai mécanique de fluage, réalisé avec une éprouvette soumise à une contrainte et une température constantes, l'allongement est mesuré en fonction du temps. La courbe ainsi obtenue présente trois différentes zones, de comportements différents : il s'agit des trois modes de fluage :

• fluage primaire, endommagement rapide ;
• fluage secondaire, le mieux connu, permettant le dimensionnement de pièces mécaniques ;
• fluage tertiaire, endommagement final de l'éprouvette, rupture.

Exemples

• Les glaciers s'écoulent sous leur propre poids car la glace flue.
• Une pièce métallique chauffée au rouge peut être déformée comme une pâte. En effet, à très haute température, les métaux se comportent comme des fluides viscoélastiques.
• Étant données les conditions de pression et de température dans le manteau terrestre, les roches du manteau fluent selon un modèle viscoélastique. Résultat du fluage : déformation/déplacement jusqu'à 10 cm par année dans les bordures (où le déplacement est le plus fort) des cellules de convection mantellique.
• Une étagère fléchit après quelques années sous un poids constant.
• Une aube de réacteur d'avion est soumise à la force centrifuge ainsi qu'à une température élevée lors du fonctionnement. Le fluage d'aubes de turbine constitue un mode de ruine des aubes de turbine, limitant leur durée de vie.

Voir aussi

Articles connexes

• Complaisance
• Analyse mécanique dynamique
• Reptation
• Relaxation de contrainte
• Expérience de la goutte de poix

Lien externe

• François Saint-Antonin, Essais de fluage, Techniques de l'ingénieur, 1995 (lire en ligne).