Mise en contexte

Un navire commercial naviguait le long de la côte ouest canadienne lorsque l’arbre de transmission de son système de propulsion s’est brisé. À la suite de ce bris, le navire est parti à la dérive, jusqu’à l’arrivée d’un remorqueur, qui l’a ramené au port.

L’inspection des autres composantes du système de propulsion, effectuée après la défaillance, n’a identifié aucun autre bris à l’exception de celui survenu sur l’arbre de transmission. Celui-ci a donc été soumis à une investigation métallurgique pour déterminer la cause la plus probable de sa défaillance.

L’investigation a été effectuée par la soussignée et les résultats obtenus ont été publiés le 9 février 2012 dans l’édition numérique du Journal of Failure Analysis and Prevention. Ce qui suit est un résumé de cette investigation et de ses résultats.

L’arbre de transmission à l’étude était en service depuis environ six (6) ans au moment de sa défaillance. Une image générale de la surface de rupture observée sur l’arbre est présentée à la figure 1. L’arbre était fabriqué d’acier faiblement allié de grade 4340, ayant été traité thermiquement pour améliorer ses propriétés mécaniques (trempé et revenu). Le bris est survenu au niveau d’un changement de section, localisé entre une portée de roulement et une portée d’engrenage. Un rayon de courbure marquait ce changement de section.


Figure 1 – Image générale de la surface de rupture
Source: Article original publié dans le Journal of Failure Analysis and Prevention, ISSN 1547-7029, DOI 10.1007/s11668-012-9551-7.

 

Résumé de l’investigation

L’examen visuel de la surface de rupture a montré que l’arbre s’est brisé en fatigue, sous l’effet d’une contrainte variable de flexion rotative. Le bris initial s’est produit à la périphérie de l’arbre, à l’endroit où il y a présence d’un rayon de courbure entre la portée de roulement et la portée d’engrenage. Le bris s’est ensuite propagé progressivement sur environ 95 % de la section transversale de l’arbre, comme illustré à la figure 2.

Figure 2 – Illustration du processus d’initiation et de propagation du bris en fatigue
Source: Article original publié dans le Journal of Failure Analysis and Prevention, ISSN 1547-7029, DOI 10.1007/s11668-012-9551-7.

 

La réalisation de plusieurs tests destructifs, tels que des essais de traction, des analyses chimiques, des mesures de dureté et un examen microscopique, nous a permis de confirmer la qualité de l’alliage et sa conformité générale avec les exigences de conception.

L’examen visuel et les mesures dimensionnelles effectuées sur le rayon de courbure ont indiqué que ce dernier était plus petit que celui attendu, soit 1,58 mm mesuré versus 2,5 mm requis au plan de fabrication. Un rayon de courbure plus petit que celui requis favorise une concentration additionnelle de la contrainte à cet endroit et peut produire des fissures de fatigue, en jouant un rôle de concentrateur de contraintes, par un effet d’entaille.

Analyse des résultats

Les résultats de notre investigation ont montré que l’arbre de transmission à l’étude s’est brisé en fatigue, sous l’effet d’une contrainte de flexion rotative. Le bris initial s’est produit à la périphérie de l’arbre, à partir d’un rayon de courbure. Il s’est par la suite propagé progressivement, sur environ 95 % de la section transversale de la pièce, avant la séparation complète de l’arbre en deux morceaux. Le rayon de courbure en question était plus petit que celui requis sur le plan de fabrication (1,58 mm mesuré versus 2,5 mm requis au plan de fabrication).

Selon la littérature, pour qu’un bris en fatigue se produise, deux conditions doivent être simultanément remplies, soit :

  • la présence d’une contrainte variable; et
  • la présence d’un concentrateur de contraintes.

Les contraintes variables font référence aux contraintes normales et/ou anormales de fonctionnement d’un équipement, aux vibrations, aux arrêts-départs, etc. Dans le cas à l’étude, chaque point sur la périphérie de l’arbre a subi, durant une rotation complète, des contraintes alternées de tension et de compression. Ces contraintes variables sont normales dans le fonctionnement d’un arbre de transmission rotatif comme celui à l’étude.

Les concentrateurs de contraintes sont des zones où la contrainte agissant sur une pièce – et qui a des valeurs d’opération normales ou inférieures – se concentre et se multiplie jusqu’à des valeurs dépassant la résistance du matériau. De ce fait, la force perçue par le matériau, à l’endroit du concentrateur de contraintes, est supérieure à sa résistance, favorisant ainsi l’apparition de fissures.

Les concentrateurs de contraintes ont des origines métallurgiques variées : altérations microscopiques, anomalies métallurgiques, défauts de matériau. Ils peuvent aussi être des détails géométriques sur la pièce : rainures, rayons de courbure, filets. Une rugosité élevée, des traces d’outils ou des variations brusques de géométrie sont d’autres exemples de concentrateurs de contraintes communs.

Dans le cas à l’étude, un rayon de courbure trop petit a joué le rôle de concentrateur de contraintes. En effet, sa valeur mesurée, plus petite que celle requise au plan de fabrication (1,58 mm mesuré versus 2,5 mm requis), a fait en sorte qu’un effet d’entaille très puissant a été créé sur la pièce, à l’endroit d’un changement brusque de section. Cette situation a mené à l’apparition de petites fissures de fatigue, qui se sont propagées jusqu’au bris final de l’arbre en deux morceaux.

Conclusion

Les résultats de notre investigation ont montré que le bris de l’arbre de transmission à l’étude s’est effectué de manière progressive, en suivant un mécanisme de bris en fatigue, le tout sous l’effet d’une contrainte variable de flexion rotative.

Le bris initial s’est produit à la périphérie de l’arbre, à partir d’un rayon de courbure marquant un changement brusque de section. Ce rayon de courbure était plus petit que celui requis au plan de fabrication et a joué le rôle de concentrateur de contraintes. L’effet de concentration de contraintes a donc été supérieur à celui considéré par les calculs de conception et entraîné le bris de la pièce.

Nous avons conclu que la cause de la défaillance de l’arbre de transmission à l’étude était un défaut de fabrication, soit le non-respect du plan de fabrication par le concepteur. Notre conclusion a par ailleurs été validée par une analyse par éléments finis (FEA) effectuée par le concepteur de la pièce.

Des questions sur le sujet ? Contactez l’auteur de l’article!

Par Marina Banuta, ing., Ph. D., Chef de service – Électrique, mécanique et matériaux

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