Il existe deux types de coefficients de matériaux liés à la température : l'un est lié aux propriétés mécaniques du matériau, l'autre à la conduction de la chaleur. Le premier comprend des facteurs tels que E, G, v, a, tandis que le second se compose de C (capacité thermique spécifique), ρ (densité) et k (conductivité thermique). Ces coefficients [...]
Il existe deux types de coefficients de matériaux liés à la température : l'un est lié aux propriétés mécaniques du matériau, l'autre à la conduction de la chaleur. Le premier comprend des facteurs tels que E, G, v, a, tandis que le second se compose de C (capacité thermique spécifique), ρ (densité) et k (conductivité thermique).
Ces coefficients ne sont pas constants mais varient avec la température. Cependant, lorsque la température n'est pas élevée, leurs valeurs moyennes sont souvent traitées comme des constantes. Dans les situations de température élevée ou de variation importante, il est essentiel de considérer leur évolution en fonction de la température.
Le module d'élasticité E et le module de cisaillement G des métaux diminuent avec l'augmentation de la température, tandis que le coefficient de Poisson v varie peu avec la température. Les mesures de E et G en fonction de la température peuvent être effectuées de manière statique ou dynamique.
La méthode statique consiste à effectuer des essais dans un four à haute température en utilisant une charge, tandis que la méthode dynamique fait appel à des techniques d'impulsion vibratoire ou ultrasonique.
La méthode vibratoire permet à l'échantillon d'essai de subir des vibrations élastiques dans le four à haute température, les constantes élastiques étant déterminées par la mesure de la fréquence.
La méthode ultrasonique consiste à appliquer des ondes ultrasoniques à l'échantillon testé, et E, G et v sont déterminés en mesurant la vitesse de propagation des ondes.
Le coefficient thermique de matériaux métalliques présente généralement une relation linéaire avec la température. Le coefficient de dilatation linéaire α a tendance à augmenter linéairement lorsque la température augmente, tandis que la conductivité thermique k diminue lorsque la température augmente et que la capacité thermique spécifique augmente avec la température.
La pente de la ligne ou la courbure de la courbe représentant la relation entre le coefficient thermique et la température, mesurée par des essais expérimentaux, indique comment le coefficient thermique du matériau spécifique évolue avec la température.
Par exemple, la variation du coefficient thermique de l'acier au carbone en fonction de la température est illustrée dans le graphique suivant, tiré de diverses sources de données.
Lorsque la température des matériaux ductiles augmente, ils ne se rompent pas immédiatement, même si la contrainte à laquelle ils sont soumis dépasse la limite d'élasticité. Toutefois, même si le niveau de contrainte est faible, si des changements de température considérables se répètent, ils finiront par céder sous l'effet de la fatigue, ce qui entraînera l'apparition de fissures. Ce phénomène est connu sous le nom de fatigue thermique.
Considérons une tige d'essai fixée aux deux extrémités, soumise à des cycles thermiques répétés entre la température la plus élevée et la température la plus basse, comme le montre le diagramme suivant.
Supposons qu'au début de l'expérience, la tige soit fixée à la température la plus élevée, puis refroidie pour générer une contrainte de traction, OAF représente une ligne de changement de contrainte. Si elle est réchauffée, la courbe contrainte-déformation se déplace d'abord parallèlement à OA vers le bas, cédant à une contrainte inférieure à la force de traction du cycle de refroidissement, pour finalement atteindre le point E.
Si elle est maintenue à la température la plus élevée pendant un certain temps, une relaxation de la contrainte se produit, entraînant une diminution de la contrainte de compression, atteignant le point E'. Si le refroidissement reprend, elle remonte le long de E'F', atteignant le point F' à la température la plus basse.
Comme il n'y a pas de relaxation de la pression à la température la plus basse, si le réchauffage commence, la courbe descend le long de F'E", atteignant le point E" à la température la plus élevée. En raison de la relaxation de la contrainte, celle-ci diminue et se déplace vers le point E"', si le refroidissement reprend, elle suit la courbe E"'F", atteignant le point F" à la température la plus basse.
Si ce cycle de refroidissement et de chauffage est répété, la courbe contrainte-déformation trace à chaque fois une boucle d'hystérésis, la déformation plastique de récupération associée est la cause de la fatigue thermique. Les températures maximale et minimale du cycle thermique, la température moyenne, le temps de maintien à la température maximale, la vitesse de répétition et les propriétés élasto-plastiques du matériau sont autant de facteurs qui influencent la fatigue thermique.
L'intensité de la fatigue thermique se réfère à la relation entre la déformation plastique d'un cycle εP et le nombre de répétitions N pour atteindre l'échec. Selon la formule empirique de Manson-Coffin :
En l'occurrence, εf représente l'allongement au point de rupture du matériau lors d'un essai de traction statique à la température moyenne d'un cycle thermique.
La description ci-dessus ne concerne que la fatigue thermique unidirectionnelle d'un matériau. Cependant, la fatigue thermique des structures réelles est multidirectionnelle et constitue un domaine d'étude spécialisé.
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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