Analyse de défaillance d’un arbre d’entrée de transmission de voiture de course

Études de cas

Arrière-plan

Un arbre d'entrée de transmission en acier à ultra-haute résistance 300M s'est rompu au cours d'une course NASCAR après environ 254 miles. Une analyse métallurgique a été réalisée par l'équipe Rimkus Materials Testing and Investigation afin d'évaluer la cause de la rupture.

Services fournis

L'arbre d'entrée fracturé a été soumis à une série d'essais et de techniques d'analyse, notamment des examens visuels et stéréoscopiques, des examens au microscope électronique à balayage (MEB), une évaluation de la métallographie/microstructure, une analyse de la composition chimique et des essais de dureté Rockwell.

Les résultats des essais indiquent que la fracture s'est produite en raison de la progression de la fatigue à partir d'une fissure intergranulaire sous contrainte qui s'est amorcée au niveau d'un marquage d'identification par pointillé sur l'arbre. La gravure par poinçonnage crée une forte concentration de contraintes dans la surface dure (54 Rockwell C - HRC) de l'arbre. Une zone peu profonde de fracture intergranulaire a été observée, qui s'est amorcée au bas de l'inscription gravée par pointillés sur l'arbre. Avant la rupture finale de l'arbre d'entrée due à la surcharge de torsion, deux événements de progression de la fatigue ont été observés, couvrant environ 33 % de la surface de rupture. La fissuration intergranulaire au point de départ indique un état de surface fragile, qui peut être un indicateur d'une contrainte résiduelle excessive à la surface de l'arbre.

L'analyse métallographique de la fracture a révélé une fissuration intergranulaire secondaire et naissante au bas du lettrage adjacent marqué au poinçon. Aucune condition inhabituelle n'a été observée dans la microstructure martensitique de l'arbre.

L'analyse de la composition chimique du matériau de l'arbre d'entrée a confirmé que l'arbre avait été fabriqué en acier allié 300M, ultra-haute résistance. Aucune condition inhabituelle n'a été observée dans la composition.

La dureté élevée (HRC54) de l'arbre 300M rend le composant très sensible à l'entaille avec très peu de ductilité. Le lettrage marqué par poinçonnage a produit un effet d'entaille et un point d'appui pour l'initiation de la fracture.

Photos

Vue d’ensemble de l’arbre d’entrée fracturé (en haut) et de deux arbres de comparaison qui avaient subi des conditions de course similaires.
Figure 1 : Vue d'ensemble de l'arbre d'entrée fracturé (en haut) et de deux arbres de comparaison ayant subi des conditions de course similaires.

 

Vue rapprochée de l'arbre d'entrée fracturé. La rupture croise le "0" du code de date apposé sur la pièce (flèches).
Figure 2 : Vue rapprochée de l'arbre d'entrée fracturé. La rupture croise le "0" du code de date apposé sur la pièce (flèches).

 

Une vue en contre-plongée de l'arbre d'entrée fracturé indique que l'origine de la fracture se situe au niveau du point "0" du code de date.
Figure 3 : Une vue en contre-plongée de l'arbre d'entrée fracturé indique l'origine de la fracture au niveau du point "0" du code de date.

 

Une vue rapprochée de la surface de rupture montre l'origine de la rupture dans une zone intergranulaire fragile (flèches bleues). Deux zones de fatigue se sont propagées sur environ 33 % de la surface de rupture avant la surcharge de torsion finale, ainsi que des marques d'arrêt de fatigue et une oxydation dans la zone de fatigue 2.
Figure 4 : Une vue rapprochée de la surface de rupture montre l'origine de la rupture dans une zone intergranulaire fragile (flèches bleues). Deux zones de fatigue se sont propagées sur environ 33 % de la surface de rupture avant la surcharge de torsion finale, ainsi que des marques d'arrêt de fatigue et de l'oxydation dans la zone de fatigue 2.

 

Une vue MEB à faible grossissement montre la surface de rupture dans la zone d'initiation de la fracture.
Figure 5 : Une vue MEB à faible grossissement montre la surface de rupture dans la zone d'initiation de la fracture.

 

Une vue MEB à plus fort grossissement montre une fracture intergranulaire, ce qui indique une dureté élevée et un état fragile à l'origine de la fracture.
Figure 6 : Une vue MEB à plus fort grossissement montre une fracture intergranulaire, ce qui indique une dureté élevée et un état fragile à l'origine de la fracture.

 

Une vue MEB à fort grossissement de l'origine de la rupture indique que la rupture s'est amorcée au fond d'une indentation de type "dot peen" sur la surface extérieure de l'arbre.
Figure 7 : Une vue MEB à fort grossissement de l'origine de la rupture indique que la rupture s'est amorcée au bas d'une indentation de type "dot peen" sur la surface extérieure de l'arbre.

 

Une vue MEB à plus fort grossissement de l'origine de la fracture indique que la fracture s'est amorcée au niveau de la ligne verticale du "0". La région fragile et intergranulaire, adjacente au site d'initiation de la fracture, est observée.
Figure 8 : Une vue MEB à plus fort grossissement de l'origine de la fracture indique que la fracture s'est amorcée au niveau de la ligne verticale du "0". La région fragile et intergranulaire, adjacente au site d'initiation de la fracture, est observée.

 

Une vue MEB à fort grossissement de l'origine de la fracture est observée à la verticale "0".
Figure 9 : Une vue MEB à fort grossissement de l'origine de la fracture est observée à la verticale "0".

 

Une image au microscope optique d'une coupe transversale longitudinale à travers l'origine de la fracture montre une impression dans la surface à l'origine de la fracture, qui est le résultat d'un marquage au poinçon. Une autre empreinte est observée sous le point d'origine de la fracture.
Figure 10 : Une image au microscope optique d'une coupe transversale longitudinale à travers l'origine de la fracture montre une empreinte dans la surface à l'origine de la fracture, qui est le résultat d'un marquage au poinçon. Une autre empreinte est observée sous le point d'origine de la fracture.

 

Une vue au microscope optique à fort grossissement de la section transversale longitudinale à l'origine de la rupture montre des signes de rupture fragile intergranulaire. Aucune condition inhabituelle n'est observée dans la microstructure martensitique.
Figure 11 : Une vue au microscope optique à fort grossissement de la section transversale longitudinale à l'origine de la rupture montre des signes de rupture fragile intergranulaire. Aucune condition inhabituelle n'est observée dans la microstructure martensitique.