Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les métaux se rompent même sous une contrainte apparemment faible ? Cet article explore le monde fascinant de la fatigue dans les matériaux, révélant comment les contraintes cycliques conduisent à des défaillances inattendues. Découvrez les différents types de fatigue, les facteurs affectant la résistance à la fatigue et la manière dont les ingénieurs relèvent ces défis.
La fatigue désigne la diminution des performances structurelles des matériaux, en particulier des métaux, lorsqu'ils sont soumis à des contraintes ou à des déformations cycliques, ce qui conduit finalement à une défaillance.
La rupture par fatigue est une forme courante de défaillance.
Les recherches montrent que les défaillances dues à la fatigue sont à l'origine de 60 à 70% des défaillances de diverses machines.
Fracture de fatigue est classée dans la catégorie des ruptures fragiles à faible contrainte, et il est difficile de détecter une déformation plastique importante pendant la fatigue, car elle résulte principalement d'une déformation plastique locale et se produit au niveau des faiblesses structurelles.
Si la fréquence peut jouer un rôle dans la rupture par fatigue, elle est généralement liée au nombre de cycles plutôt qu'à la fréquence.
Selon les caractéristiques de la contrainte qui provoque la rupture par fatigue, celle-ci peut être divisée en deux catégories :
En ce qui concerne les durées de cycle, la fatigue peut être divisée en plusieurs catégories :
En termes de propriétés de charge, la fatigue peut être classée comme suit :
En fonction de l'environnement de travail de la pièce, la fatigue peut être divisée en plusieurs catégories :
Il convient de noter que la la résistance des matériaux et des structures avant qu'ils ne soient endommagés par la fatigue est appelée "limite de fatigue".
Il s'agit de la fatigue causée par des charges d'impact répétées.
Lorsque le nombre d'impacts, N, est inférieur à 500 ou 1000, les pièces peuvent être endommagées et la forme de fracture des pièces sera similaire à celle d'un seul impact.
Lorsque le nombre d'impacts est supérieur à 105, la fracture de la pièce est classée comme une fracture de fatiguequi présente les caractéristiques typiques d'une rupture par fatigue.
Dans le calcul de conception, si le nombre d'impacts est supérieur à 100, la résistance doit être calculée à l'aide d'une méthode similaire à l'analyse de la fatigue.
Sous l'influence des contraintes de contact cycliques, les pièces subissent des dommages progressifs et permanents au niveau local.
Après un certain nombre de cycles, l'apparition de piqûres, de décollements superficiels ou profonds sur la surface de contact est appelée fatigue de contact.
La fatigue de contact est un mode de défaillance courant pour les engrenages, les roulements et les arbres à cames.
Les matériaux ou les pièces qui subissent une fatigue due à une contrainte thermique cyclique causée par des changements de température sont appelés fatigue thermique.
Les variations cycliques de température entraînent des variations cycliques du volume du matériau.
Lorsque la capacité du matériau à se dilater ou à se contracter librement est restreinte, une contrainte thermique cyclique ou une déformation thermique cyclique est générée.
Il existe principalement deux types de contraintes thermiques :
La dilatation et la contraction thermiques des pièces sont affectées par les contraintes des pièces fixes, ce qui entraîne des contraintes thermiques.
En l'absence de contraintes externes, des températures inégales entre les parties de deux pièces entraînent une dilatation et une contraction thermiques inégales, ce qui se traduit par une contrainte thermique.
Les fluctuations de température entraînent également des changements dans la structure interne du matériau, réduisant sa résistance et sa plasticité.
Dans des conditions de fatigue thermique, la distribution de la température n'est pas uniforme, ce qui entraîne une déformation plastique importante, de grands gradients de température et des concentrations de déformation thermique.
Lorsque la déformation thermique dépasse la limite élastique, la relation entre la contrainte thermique et la déformation thermique n'est plus linéaire et doit être traitée comme une relation élastoplastique.
Les fissures de fatigue thermique partent de la surface et s'étendent vers l'intérieur, perpendiculairement à la surface.
La contrainte thermique est proportionnelle au coefficient de dilatation thermique, les coefficients les plus élevés entraînant une contrainte thermique plus importante.
C'est pourquoi, sélection des matériaux doit tenir compte de l'adéquation des matériaux, les différences de coefficients de dilatation thermique ne devant pas être trop importantes.
Dans les mêmes conditions de déformation thermique, plus le module d'élasticité du matériau est élevé, plus la contrainte thermique est importante.
Plus le changement de cycle de température est important, c'est-à-dire la différence entre les températures limites supérieures et inférieures, plus la contrainte thermique est élevée.
Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus le gradient de température est important et plus la contrainte thermique est élevée lors d'une accélération ou d'un refroidissement rapide.
La fatigue causée par l'action conjointe d'un milieu corrosif et d'une contrainte cyclique est appelée fatigue par corrosion.
Les dommages causés par l'action combinée d'un milieu corrosif et d'une contrainte statique sont appelés corrosion sous contrainte.
La différence essentielle entre les deux est que la corrosion sous contrainte ne se produit que dans des environnements de corrosion spécifiques, alors que la fatigue par corrosion peut se produire dans n'importe quel environnement de corrosion sous l'influence d'une contrainte cyclique.
Pour la fissuration par corrosion sous contrainte, il existe un facteur d'intensité de contrainte critique connu sous le nom de KISCC. Si le facteur d'intensité de contrainte KI est inférieur ou égal à KISCC, la fissuration par corrosion sous contrainte ne se produit pas. En revanche, il n'existe pas de facteur d'intensité de contrainte critique pour la fatigue par corrosion et la rupture se produira tant qu'il y aura des contraintes cycliques dans un environnement corrosif.
La différence entre la fatigue par corrosion et la fatigue à l'air est que, à l'exception de l'acier inoxydable et de l'acier nitruré, les surfaces des pièces mécaniques soumises à la fatigue par corrosion se décolorent. En outre, la fatigue par corrosion entraîne un grand nombre de fissures, au lieu d'une seule. La courbe S-N de la fatigue par corrosion ne comporte pas de partie horizontale.
Il est important de noter que la limite de fatigue due à la corrosion n'est que conditionnelle et qu'elle est basée sur une certaine durée de vie. Les facteurs affectant la corrosion résistance à la fatigue sont plus complexes que celles qui affectent la fatigue dans l'air. Par exemple, alors que la fréquence de l'essai de fatigue n'a aucun effet sur la limite de fatigue dans l'air lorsqu'elle est inférieure à 1000 Hz, elle a un impact sur la fatigue due à la corrosion sur toute la plage de fréquences.
Lorsqu'un matériau ou un composant mécanique tombe en panne, la durée de vie totale se compose généralement de trois parties :
Un grand nombre d'études techniques ont démontré que la durée de vie des fissures des composants mécaniques représente une grande partie, voire jusqu'à 90%, de la durée de vie totale en fatigue pendant le service réel.
Dans la plupart des cas, lorsque la profondeur d'une microfissure atteint environ 0,1 mm, elle s'agrandit continuellement le long de la partie du matériau ou du composant.
La fatigue des matériaux métalliques comprend principalement les éléments suivants :
Avec l'augmentation de la contrainte moyenne (contrainte statistique), la contrainte dynamique anti-fatigue des matériaux diminue.
Pour des forces de caractéristiques égales, plus la contrainte moyenne σmplus l'amplitude de la contrainte σa pour une durée de vie donnée.
En raison des exigences des conditions de travail ou des techniques de traitement, les composants présentent souvent des caractéristiques telles que des marches, des trous minuscules, des rainures de clavette, etc. Ces caractéristiques provoquent des changements brusques dans la section transversale, entraînant une concentration locale de contraintes, ce qui réduit considérablement la limite de fatigue du matériau.
Des expériences ont montré que la réduction de la limite de fatigue n'est pas directement proportionnelle au facteur de concentration des contraintes.
Pour prédire avec précision la performance en fatigue des composants mécaniques, il est nécessaire d'estimer la durée de vie de l'amorçage des fissures dans les régions soumises à de fortes contraintes ou dans les défauts de fabrication.
L'analyse de la littérature montre qu'il est pertinent de ne prendre en compte que l'impact des contrainte résiduelle sur la résistance à la fatigue du métal en cas de fatigue oligocyclique. En effet, les contraintes résiduelles se relâchent fortement sous l'effet de la grande amplitude de déformation de la fatigue oligocyclique, et ont donc peu d'effet sur la fatigue oligocyclique.
La contrainte de compression résiduelle en surface est avantageuse pour les composants soumis à une charge axiale et lorsque la fissure de fatigue provient de la surface. Cependant, il est important d'être conscient du problème de la relaxation des contraintes résiduelles causée par la cession des contraintes résiduelles de traction dans la région du noyau après l'application d'une charge externe.
L'effet des contraintes résiduelles sur la résistance à la fatigue des composants est très important. Cela s'explique par le fait que les contraintes résiduelles contiennent une concentration de contraintes et ont un impact plus important sur la croissance des fissures de fatigue.
Cependant, la concentration des contraintes résiduelles n'est pas seulement liée à la géométrie de l'entaille, mais aussi à propriétés des matériaux.
La valeur limite de fatigue d'un matériau, notée σ-1, est généralement déterminée à l'aide d'un petit échantillon d'un diamètre compris entre 7 et 12 mm. Toutefois, la section transversale des composants réels est souvent supérieure à cette taille.
Les essais ont montré que la limite de fatigue diminue avec l'augmentation du diamètre de l'éprouvette.
En particulier, la limite de fatigue diminue plus rapidement pour les aciers à haute résistance que pour les aciers à faible résistance.
La surface d'un composant est susceptible de produire une fissure de fatigue, et la contrainte superficielle d'un composant soumis à une charge de flexion ou de torsion alternée est la plus importante.
La rugosité de la surface du composant et la présence de marques d'outils d'usinage peuvent affecter sa résistance à la fatigue.
Les dommages de surface, tels que les marques d'outils ou les marques d'usure, agissent comme une entaille de surface, provoquant une concentration de contraintes et réduisant la limite de fatigue.
Plus la résistance du matériau est élevée, plus il est sensible aux entailles et plus l'effet de la qualité de la surface usinée sur la limite de fatigue est important.
Le comportement à la fatigue des matériaux métalliques est influencée par l'environnement liquide ou gazeux qui l'entoure. La "fatigue due à la corrosion" fait référence à la réaction des matériaux métalliques à l'effet combiné d'un milieu corrosif et de charges cycliques, généralement dans un environnement aqueux.
Différentes conditions environnementales, telles que la fatigue due à la corrosion, la fatigue à basse température, la fatigue à haute température et les variations de la pression atmosphérique et de l'humidité, peuvent toutes affecter le comportement des matériaux en matière de fatigue. Dans les environnements atmosphériques, les cycles de défaillance d'un matériau sont généralement moins nombreux que dans les environnements sous vide, et la durée d'initiation des fissures dans les environnements sous vide est plus longue.
Lorsque la pièce fonctionne à proximité de la pression atmosphérique critique (Pcr), sa durée de vie en fatigue devient très sensible. La durée de vie en fatigue des matériaux dans les environnements atmosphériques, qui est généralement inférieure à celle des environnements sous vide, diminue avec l'augmentation de la température, ce qui accélère la formation de fissures.
L'humidité ambiante a un impact significatif sur la durabilité de l'acier au chrome à haute résistance. La vapeur d'eau, en particulier à température ambiante, peut affaiblir la résistance à la rupture de la plupart des métaux et alliages, en fonction du niveau de contrainte, du rapport de charge et d'autres conditions de chargement.
Il existe une forte interaction entre la microstructure et l'environnement, l'environnement gazeux affectant la morphologie de la fracture et le mécanisme de glissement des dislocations. L'environnement interagit également avec la fermeture des fissures, en particulier dans la région proche du seuil. L'impact de l'environnement dépend de la morphologie de la surface de la fissure, en particulier dans la direction de la profondeur.
A basse température, résistance des métaux augmente tandis que la plasticité diminue. Par conséquent, la résistance à la fatigue oligocyclique des échantillons lisses est plus élevée à basse température, mais la résistance à la fatigue oligocyclique est plus faible. Pour les échantillons entaillés, la ténacité et la plasticité diminuent encore plus. Les basses températures peuvent être particulièrement dommageables pour les entailles et les fissures, car la longueur critique de la fissure de fatigue à la rupture diminue fortement.
La "fatigue généralisée à haute température" fait référence à la fatigue survenant à des températures supérieures à la normale. Bien que certaines pièces puissent fonctionner à des températures supérieures à la température ambiante, la fatigue à haute température n'est observée que lorsque la température dépasse 0,5 fois le point de fusion (Tm) ou la température de recristallisation. À ces températures élevées, le fluage et la fatigue mécanique se produisent, ce qui entraîne une fatigue à haute température.
L'ordre des limites de fatigue sous différentes charges est le suivant : flexion rotative < flexion plane < charge de compression < charge de torsion.
Dans un environnement corrosif, l'impact de la fréquence de chargement sur la progression des fissures est évident.
À température ambiante et dans un environnement d'essai, les fréquences conventionnelles (0,1-100 Hz) ont un impact minimal sur la croissance des fissures dans l'acier et le laiton.
En général, si la fréquence de chargement de l'essai est inférieure à 250 Hz, l'influence de la fréquence sur la durée de vie en fatigue des matériaux métalliques est minime.
Les fissures prennent généralement naissance à la surface, par exemple au niveau de la soudure (œillet), dans l'acier moulé (décollement) ou sous la surface (grandes inclusions modifiant le champ de déformation local), mais elles sont rarement présentes à l'intérieur.
L'apparition de fissures dépend également du nombre, de la taille, du type et de la répartition des inclusions, ainsi que de la direction des forces externes appliquées.
La force de liaison entre les inclusions et la matrice ne doit pas être négligée.
Les microfissures sont les défauts les plus dangereux des matériaux, avec une durée de vie d'un million de cycles. Les microstructures contrôlent la durée de vie des matériaux, avec une durée de vie d'un milliard de cycles.
Étant donné que la probabilité de défauts dans les matériaux de taille microscopique est beaucoup plus élevée qu'à la surface du matériau, la probabilité d'apparition de fissures sous une charge de fatigue à cycle ultra-élevé dans le matériau est naturellement plus élevée qu'à la surface.
Les matériaux fragiles ne subissent pas de réduction de contrainte ou d'écrouissage.
En cas d'entaille, la rupture peut se produire sous une faible contrainte nominale.
Il a été observé qu'en présence d'une entaille, la limite de fatigue du métal diminue, l'impact sur la limite de fatigue étant plus important dans les matériaux à faible plasticité.
Il a été souligné dans la littérature que le processus de préparation des éprouvettes de fatigue est un facteur critique qui contribue à la variabilité des résultats des essais.
Par exemple, les processus de tournage, de fraisage, de redressement et d'autres méthodes d'usinage ont tous un impact sur la qualité finale de la préparation de l'échantillon.
En effet, la méthode de préparation et les facteurs de traitement thermique peuvent affecter la performance en fatigue des matériaux, en particulier le traitement thermique, ce qui rend difficile l'obtention de résultats cohérents, même avec le même lot, la même taille et la même morphologie d'essais.
Il est évident que les facteurs de production et de traitement de la pièce entraînent un écart entre la durée de vie réelle des pièces et la durée de vie prévue calculée par l'analyse.
La dureté du matériau est un facteur clé de la résistance à la fatigue oligocyclique (lorsque N > 106), tandis que la ténacité est un indicateur important pour la fatigue à cycle moyen et faible.
L'acier à haute résistance a une faible ténacité et donc une faible résistance à la fatigue dans des conditions de contraintes élevées. En revanche, il présente une bonne résistance à la fatigue dans des conditions de faible contrainte.
L'acier à faible résistance présente des performances modérées en matière de fatigue.
En général, plus le module d'élasticité est élevé, plus la vitesse de croissance des fissures est lente.
L'effet de la taille des grains sur la croissance des fissures n'est significatif que dans les cas extrêmes (△ K → △ Kth et △ Kmax → △ KC), et a peu d'impact sur la croissance des fissures à vitesse moyenne.
La vitesse de propagation est liée à la ténacité à la rupture KIC (ou KC).
Il est largement admis que l'augmentation de la ténacité du matériau diminue le taux de croissance des fissures.
La dispersion des données des essais de fatigue peut être attribuée à l'équipement d'essai et à l'échantillon lui-même.
Selon la littérature, une erreur de 3% dans la charge nominale par rapport à la charge réelle peut entraîner une erreur de 60% dans la durée de vie en fatigue et, dans les cas extrêmes, une erreur de 120% dans la durée de vie.
Bien qu'une erreur de 3% soit acceptable dans les machines d'essai de fatigue, on note qu'il n'y a pas de dispersion significative dans les essais de rupture statique, même pour les matériaux présentant une grande dispersion de résistance tels que les matériaux de coulée et le verre.
La variabilité des résultats des essais de fatigue est influencée par les propriétés des matériaux, y compris les propriétés intrinsèques des matériaux, le processus de préparation et l'environnement externe de l'essai. Le processus de préparation, en particulier le traitement thermique, est le facteur le plus critique de la dispersion des données.
Les inclusions et les particules de seconde phase dans les matériaux contribuent également de manière importante à la dispersion des données, mais le mécanisme à l'origine de ce phénomène est encore inconnu.
Méthode de la durée de vie sûre :
La contrainte de conception est inférieure à la limite de fatigue, et on considère qu'il n'y a pas de défaut dans la structure.
Méthode de sécurité :
La contrainte de calcul est liée à la résistance résiduelle en cas de défauts planaires, et cette méthode de calcul permet d'accepter des niveaux acceptables de tels défauts.
Méthode de la fissure de sécurité :
La propagation des fissures qui peuvent être prédites avec certitude est certainement autorisée.
Méthode de défaillance locale :
La technologie des essais de fatigue à ultra-haut cycle, apparue dans les années 1990, a démontré que même de petits microdéfauts tels que l'inclusion de laitier, la porosité et les gros grains formés par le forgeage peuvent avoir un impact significatif sur la résistance à la fatigue des matériaux.
Pour les matériaux en acier, lorsque les données des essais de fatigue ne sont pas disponibles, une courbe S-N approximative peut être tracée sur la base de la limite de résistance à la traction du matériau.
Cette méthode d'estimation, qui associe la limite de fatigue à la résistance à la traction et à l'allongement à la rupture de l'éprouvette, est très précise.
Dans l'analyse de la fatigue des matériaux et des structures, il est essentiel de s'appuyer sur les résultats des essais plutôt que sur les seuls calculs élasto-plastiques pour obtenir des données précises et fiables.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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