Dans quelles conditions le phénomène de fluage des ressorts de torsion en acier inoxydable sera-t-il plus important

Le fluage est la déformation plastique lente et permanente d'un matériau solide soumis à une contrainte constante au fil du temps. Pour ressorts de torsion en acier inoxydable , le fluage se manifeste par une diminution progressive du couple de rappel (techniquement connu sous le nom de relaxation des contraintes sous déformation constante) ou par une augmentation continue de l'angle de déflexion sous charge constante. Ce phénomène affecte directement la précision et la fiabilité à long terme du ressort. D'un point de vue professionnel, l'apparition importante de fluage dans les ressorts de torsion en acier inoxydable est principalement influencée par les effets synergiques des trois facteurs intégrés suivants.

1. Effet critique de la température

La température est le principal facteur déterminant si un fluage se produira de manière significative. Bien que le fluage se produise théoriquement à n'importe quelle température, son taux n'a un impact significatif sur les applications d'ingénierie que lorsqu'il dépasse un seuil spécifique.

Corrélation du point de fusion : la théorie traditionnelle des matériaux métalliques suggère que le fluage devient généralement significatif autour de 0,4 Tm​ au-dessus de la température de fusion absolue du matériau. Les aciers inoxydables (tels que la série 300) ont un point de fusion plus élevé, mais comme le fil à ressort est soumis à des contraintes élevées, la température réelle à laquelle se produit le fluage est beaucoup plus basse.

Température de service de l'acier inoxydable : D'une manière générale, la température de service maximale recommandée pour un ressort de torsion pour les aciers inoxydables austénitiques standards (tels que SUS 304 ou 302) est d'environ 250°C à 300°C.

Lorsque la température de travail est inférieure à 100°C, le taux de fluage est extrêmement faible et peut être ignoré.

Lorsque la température de travail dépasse 150°C, en particulier entre 200°C et 300°C, le mouvement de dislocation et la diffusion des lacunes dans l'acier inoxydable sont activés par l'énergie thermique, accélérant la déformation plastique et provoquant un fluage perceptible.

2. L’effet catalytique des niveaux de stress élevés

Dans les mêmes conditions de température, les niveaux de contraintes appliqués constituent la principale force motrice qui accélère le fluage. Pour les ressorts de torsion, cette contrainte fait spécifiquement référence à la contrainte de flexion.

Contrainte et limite d'élasticité : Le fluage est unique en ce sens qu'il se produit à des niveaux de contrainte bien inférieurs à la limite d'élasticité du matériau. Cependant, plus la contrainte se rapproche de la limite élastique, plus le taux de fluage est élevé.

Conception du ressort : lors de la conception d'un ressort de torsion, si la contrainte de travail maximale dépasse un pourcentage critique de la limite proportionnelle du matériau en acier inoxydable (par exemple 60 % ou 70 %), le fluage peut s'accumuler sur une période prolongée, générant une instabilité dimensionnelle importante, même à température ambiante. Des contraintes élevées fournissent l’énergie d’activation nécessaire pour surmonter la résistance du réseau, accélérant ainsi l’apparition du fluage des dislocations.

Relaxation des contraintes : dans les applications à déflexion constante, une contrainte élevée conduit directement à une relaxation accélérée des contraintes. Ce relâchement se manifeste finalement par une perte de couple, qui est la principale raison pour laquelle le ressort ne peut pas maintenir sa fonction prévue.

3. Durée de chargement soutenue

Le fluage est une déformation typique dépendant du temps. Plus le ressort reste longtemps sous charge, plus la contrainte de fluage cumulée est importante.

Trois étapes de fluage : Le processus de fluage est généralement divisé en trois étapes :

Fluage primaire : le taux de déformation diminue progressivement. C'est l'étape dominée par l'écrouissage lors de la première charge du ressort.

Fluage secondaire : la vitesse de déformation reste essentiellement constante. Il s'agit d'une étape d'équilibre entre le durcissement et l'adoucissement (c'est-à-dire la récupération) et représente la majorité de la durée de vie du ressort.

Fluage tertiaire : La vitesse de déformation augmente fortement jusqu'à la rupture. Dans les applications pratiques des ressorts de torsion, cette étape n'est généralement pas autorisée.

Charge statique à long terme : pour les applications de charge statique qui nécessitent de maintenir un angle fixe pendant des périodes prolongées, comme les ressorts de soupape ou certains mécanismes de serrage, le temps est crucial. Même à des contraintes et des températures relativement faibles, les charges cumulées sur des années, voire des décennies, peuvent amener le jeu permanent du ressort à dépasser les tolérances.

4. Influence de la microstructure matérielle

La microstructure et le procédé de fabrication du fil en acier inoxydable ont une influence décisive sur la résistance au fluage.

Durcissement par travail à froid : le fil à ressort en acier inoxydable subit généralement un pourcentage élevé d’étirage à froid pour obtenir une résistance élevée. La forte densité de dislocations introduite par l’écrouissage améliore la résistance au fluage à température ambiante. Cependant, à mesure que la température augmente, ces dislocations peuvent commencer à se rétablir, réduisant ainsi les performances de relaxation des contraintes.

Durcissement par précipitation : Certaines nuances d'acier inoxydable à haute résistance (telles que l'acier inoxydable 17-7 PH) utilisent un mécanisme de durcissement par précipitation. Un traitement thermique et un vieillissement appropriés peuvent former de fins précipités, fixant efficacement les dislocations et améliorant considérablement la résistance au fluage à température élevée.