1. Concept de fatigue et de rupture Il est important de noter que la contrainte à l'origine de la rupture par fatigue est généralement de faible ampleur. En outre, la rupture par fatigue est souvent caractérisée par sa soudaineté, sa nature très localisée et sa sensibilité à divers défauts. 2. Classification de la rupture par fatigue 1. Fatigue oligocyclique et fatigue oligocyclique Fatigue oligocyclique [...]
Il est important de noter que la contrainte à l'origine de la rupture par fatigue est généralement de faible ampleur. En outre, la rupture par fatigue est souvent caractérisée par sa soudaineté, sa nature très localisée et sa sensibilité à divers défauts.
La fatigue oligocyclique fait référence à la fatigue qui se produit lorsque le niveau de contrainte agissant sur les pièces ou les composants est faible et que le nombre de cycles de rupture est supérieur à 100 000. Les ressorts sont des exemples de produits qui présentent couramment une fatigue à cycle élevé, arbres de transmissionet les fixations.
D'autre part, la fatigue oligocyclique fait référence à la fatigue avec un niveau de contrainte élevé et un faible nombre de cycles de défaillance, généralement moins de 10 000 fois. Un exemple de fatigue oligocyclique est l'endommagement par fatigue des appareils à pression et des pièces de turbines.
La fatigue par déformation fait référence à la fatigue à faible cycle avec des contraintes élevées et des temps de cycle courts.
D'autre part, la fatigue sous contrainte se caractérise par une faible contrainte et des temps de cycle élevés ; elle est connue sous le nom de fatigue oligocyclique.
Dans la pratique, il est souvent difficile de faire la différence entre la fatigue due au stress et la fatigue due à la déformation.
Les deux types de fatigue peuvent se produire simultanément, ce que l'on appelle la fatigue composite.
Fatigue de flexion, fatigue de torsion, fatigue de tension et de compression, fatigue de contact, fatigue de vibration, fatigue de contact.
D'un point de vue macroscopique, le processus de fissuration peut être divisé en trois étapes : la source de la fissure, la zone de propagation et la zone de rupture transitoire.
La source de la fissure désigne la zone de la surface présentant des rainures, des défauts ou des concentrations de contraintes qui servent de conditions préalables à l'apparition de la fissure.
La zone de propagation de la fatigue est caractérisée par une section relativement plate où la propagation de la fatigue se produit perpendiculairement à la direction de la contrainte, ce qui entraîne la formation d'arcs de fatigue distinctifs, également connus sous le nom de marques de plage ou de coquilles.
La zone de rupture instantanée est l'endroit où la fissure de fatigue s'étend rapidement pour provoquer une rupture instantanée. La surface de rupture présente des marques de glissement du métal et, dans certains cas, des bandes radioactives et des zones de lèvre de cisaillement.
Au microscope, la caractéristique typique d'une fracture de fatigue est l'apparition de stries de fatigue. En outre, des phénomènes de clivage et de quasi-clivage (termes utilisés en cristallographie pour décrire les petits plans observés dans les images microscopiques) et des caractéristiques microstructurales telles que des fossettes peuvent également être présents dans certains échantillons microscopiques.
(1) La rupture par fatigue se caractérise par l'absence de déformation plastique macroscopique évidente pendant le processus de rupture et il n'y a généralement pas de signes avant-coureurs de la rupture. Cela conduit souvent à une défaillance soudaine et dommageable des pièces mécaniques.
(2) La contrainte provoquant la rupture par fatigue est généralement faible, souvent inférieure à la charge de contrainte nécessaire pour atteindre le seuil de résistance à la fatigue. limite d'élasticité dans des conditions de charge statique.
(3) Après une rupture par fatigue, il est courant d'observer des preuves évidentes de l'initiation de la fissure, de sa propagation et des zones de rupture finales sur la surface de rupture.
Dans une usine, une moto a connu une panne mécanique après avoir parcouru 2 000 km. Après démontage et inspection, on a découvert que la bielle du vilebrequin du moteur s'était rompue.
La bielle, fabriquée en 20CrMnTi, a été cémentée en surface. Le principe de fonctionnement de la bielle est illustré à la figure 1, où son mouvement alternatif entraîne la rotation de deux vilebrequins d'entraînement.
20CrMnTi est un acier de construction allié ayant une teneur en carbone La teneur en acier inoxydable est d'environ 0,2%, la teneur en manganèse est d'environ 1% et la teneur en titane est d'environ 1%. Ce matériau est couramment utilisé pour les composants d'arbres et nécessite une cémentation.
Fig. 1
La bielle défaillante présentait deux ruptures. De nombreuses fissures parallèles à la rupture sont visibles sur la cambrure du roulement à l'extrémité de la bielle [figure 3 (a)]. Un côté de l'extrémité de la rupture présente une forte trace de frottement [figure 3 (b)], avec une profondeur d'usure de 0,5 mm. En outre, une trace d'oxydation à haute température de couleur bleu-gris est visible sur une extrémité de l'arc de roulement près du côté du frottement [Figure 3 (c)].
La fracture 1 est relativement lisse et plate avec un bord usé, et l'arc de fatigue est visible au milieu [figure 3 (d)]. En revanche, aucun arc de fatigue n'a été trouvé sur la fracture 2.
Fig. 2
Fig. 3
La figure 4 (a) de la fracture 1 montre un arc de fatigue au microscope électronique à balayage. La tendance de l'arc permet de déterminer la source de la fatigue.
La source de fatigue est située dans le coin supérieur droit de la figure 4 (d). L'agrandissement local révèle que la majorité des tissus fins dans la zone de la source ont été soumis à l'usure, bien que la caractéristique du bord radial soit encore visible (figure 4 (b)).
La figure 4 (c) montre des bandes de fatigue et des fissures secondaires dans la zone de croissance de la fatigue.
En revanche, la fracture 2 présente des fossettes mais pas de bandes de fatigue. On peut en déduire que la fracture 1 est la fracture primaire et que la fracture 2 est une fracture secondaire.
Fig. 4
Prélever des échantillons du corps de la bielle et analyser leur composition chimique, y compris la fraction massique (%).
Les résultats de l'analyse sont conformes aux exigences de composition chimique spécifiées dans la norme GB/T3077-1999 pour le 20CrMnTi.
D'après les résultats de l'inspection, la composition chimique du matériau de la pièce défectueuse est conforme aux exigences techniques. Cependant, l'extrémité cassée de la bielle présente un frottement important d'un côté.
L'analyse de l'extrémité de l'arc du roulement près de la surface de frottement a révélé la présence d'un film d'oxyde bleu-gris, qui est un mélange d'oxyde de fer noir (Fe3O4) et l'oxyde de fer rouge (Fe2O3) s'est formé à des températures supérieures à 400℃. Cela indique que le frottement entre la bielle et le arbre de sortie a provoqué une surchauffe dans cette zone.
L'analyse MEB de la surface de rupture montre que la source de la fissure de fatigue se trouve dans le coin près du film d'oxyde, dans la zone de haute température. La combinaison de l'oxydation de la surface et de la température élevée augmente le risque de génération de fissures et d'endommagement par fluage.
En outre, le frottement rend la surface du métal rugueuse, ce qui peut entraîner une concentration des contraintes en surface et augmenter le risque de fatigue. L'origine de la fracture se situe souvent au point de tension maximale.
D'après l'analyse des forces agissant sur la bielle, la contrainte de traction la plus importante est présente sur la section 1 de la rupture, ce qui la rend susceptible de former des fissures près de l'angle de la surface de frottement. La présence de carbures grossiers dans cette zone aggrave le problème, car elle perturbe la continuité de la structure de la matrice, accélère la formation et la propagation des fissures, réduit la résistance à l'usure et à la corrosion. résistance à la fatigueet conduit finalement à une fracture de fatigue.
L'excès de carbures sur la surface cémentée de la bielle est le résultat d'un processus de cémentation inapproprié. La formation de carbures grossiers et en blocs est principalement due à une forte concentration de carbone, qui est plus susceptible de se produire dans les angles aigus de la pièce, réduisant ainsi considérablement sa durée de vie.
Pour éviter la formation de carbures grossiers, il est essentiel de contrôler strictement le potentiel de carbone de l'atmosphère de cémentation pendant le processus de cémentation. Cela permet d'éviter un potentiel de carbone excessif, qui entraîne la formation de carbures grossiers à la surface de la pièce.
La rupture de la bielle du vilebrequin est le résultat d'une rupture par fatigue. La cause de la rupture est due au frottement important subi par la bielle pendant l'utilisation, qui entraîne une concentration locale des contraintes et des températures élevées, réduisant ainsi la résistance à la fatigue du matériau. La présence de carbures en blocs de grande taille dans les coins de la surface de la bielle a encore accéléré la croissance et la propagation des fissures.
La réduction de la rugosité des pièces de frottement pendant la phase de conception peut réduire la concentration des contraintes et améliorer la résistance à la fatigue des pièces. Cela permettra également de réduire les températures élevées causées par le frottement et de diminuer le risque de dommages dus au fluage.
Pour améliorer le processus de cémentation, il est important de s'attaquer à la formation de carbures excessifs sur la surface cémentée de la bielle, causée par un processus de cémentation inapproprié. Les carbures grossiers et en blocs sont principalement le résultat d'une forte concentration de carbone, qui est plus susceptible de se former dans les angles aigus de la pièce et de réduire considérablement sa durée de vie.
Par conséquent, un contrôle strict du potentiel de carbone de l'atmosphère de cémentation pendant le processus de cémentation est essentiel pour empêcher la formation de carbures grossiers à la surface de la pièce en raison d'un potentiel de carbone excessif.
Il est souvent difficile de modifier les conditions de service des pièces. Il est donc essentiel d'optimiser la conception des pièces dans toute la mesure du possible, en commençant par les effets de surface.
En empêchant la concentration des contraintes de surface dans les matériaux structurels et les pièces mécaniques, l'accumulation des dislocations est entravée et la déformation plastique est limitée. Il est donc plus difficile pour les fissures de fatigue de se former et de croître, ce qui augmente la limite de fatigue ou la résistance à la fatigue.
Lors de la conception, il est conseillé d'éviter les coins carrés ou aigus, les trous et les rainures. Dans les cas où la taille de la section change brusquement, comme sur l'épaulement d'un arbre étagé, il est recommandé d'utiliser un congé de transition d'un rayon suffisant pour réduire la concentration des contraintes.
S'il n'est pas possible d'augmenter le rayon du congé de transition en raison de contraintes structurelles, des rainures ou des contre-dépouilles plus fines peuvent être réalisées sur l'arbre de plus grand diamètre.
Il y a une concentration importante de contraintes au bord de la surface d'ajustement du moyeu et de l'arbre. Pour améliorer cette situation, une rainure de délestage peut être pratiquée sur le moyeu et la partie ajustée de l'arbre peut être épaissie pour réduire l'écart de rigidité entre le moyeu et l'arbre, réduisant ainsi la concentration de contraintes sur le bord de la surface d'ajustement.
Au soudures d'angleLe soudage par rainure permet d'obtenir une bien meilleure concentration des contraintes que le soudage sans rainure.
Lecture connexe : Liste complète des symboles de soudage
Pour renforcer la couche superficielle des composants, des méthodes mécaniques telles que le laminage et la grenaille sont utilisées. peignage peuvent être utilisées. Ces méthodes forment une couche de contrainte de pré-compression sur la surface du composant, réduisant la contrainte de traction superficielle susceptible de provoquer la formation de fissures et améliorant la résistance à la fatigue. D'autres méthodes, telles que le traitement thermique et le traitement chimique, comme la trempe à haute fréquence, la cémentation et le traitement de surface, peuvent être utilisées. nitrurationpeut également être utilisé.
Le grenaillage de précontrainte consiste à utiliser de petites billes d'acier d'un diamètre de 0,1 à 1 mm pour frapper la surface de l'échantillon à grande vitesse, ce qui permet d'éliminer les angles vifs, les bavures et autres concentrations de contraintes. La surface est comprimée à une profondeur correspondant à 1/4-1/2 du diamètre de la bille d'acier, ce qui génère un effet de compression. contrainte résiduelle sur la surface de la pièce et limitant la croissance des fissures de fatigue.
Grenaillage de précontrainte
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.
FR 
EN 
ES 
RU 
DE 