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4. Propriétés mécaniques: fatigue GCI 116 - Matériaux de l’ingénieur Des Matériaux Section 7.5 Sauf 7.5.4 Phénomène de fatigue

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Des MatériauxSection 7.5Sauf 7.5.4

Phénomène de fatigue

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L’application de charges variables un très grand nombre de fois peut entraîner la rupture du matériau même si ces charges sont inférieures à la résistance ultime ou la limite élastique du matériau. Ce phénomène est connu sous le terme de fatigue.

On estime qu’environ 80% des ruptures des matériaux sous charge de service sont reliées à la fatigue.

Un chargement de fatigue est caractérisé par une sollicitation variable dont la moyenne peut être nulle, positive ou négative.

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Type de chargement

Sinusoïdal

Périodique

Aléatoire

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Paramètres

Amplitude de contraintes: ½ (max – min)

Variation de contraintes: max – min

Contrainte moyenne: ½ ( max + min)

Rapport des contraintes (R): min/max

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L’essai de fatigue

•Fatigue-endurance défor. élastiques N104cycles

•Fatigue plastique défor. plastiques N< 104cycles

Vidéo 7.21

R = min/max

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À partir d’essais en laboratoire, on peut tracer une courbe d’endurance (courbe de Wöhler)

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Courbe d’endurance

• zone de fatigue oligocyclique (N < 104 cycles)

• zone d’endurance limitée (104< N < 106 cycles)

• zone de sécurité (N > 107 cycles)

D

Limite d’endurance, D

Probabilité de 50% de rupture

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La limite d’endurance asymptotique n’est pas présente chez tous les matériaux ductiles. Quant aux matériaux fragiles, le courbe d’endurance se réduit pratiquement à une ligne horizontale.

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Mécanismes de fatigue

I Amorçage de l’endommagement

II Propagation de la fissure

III Rupture

IV Zone de non-rupture

Vidéo 7.27

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Vitesse de propagation de la fissuration

• Les défauts conduisent à une concentration de contrainte qui entraînent l’apparition de fissure. Toutefois même une surface lisse peut progressivement développer des irrégularités (vidéo 7.29)

• On doit s’assurer que ces fissures n’atteindront pas la longueur critique qui conduira à une rupture fragile de la pièce.

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Facteurs influençant le comportement en fatigue

A. Les facteurs métallurgiques

- composition chimique

- répartition des phases

- défauts de fabrication

- traitements thermiques

- microstructure

- inclusions

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B. Les conditions de sollicitation

Pour une même amplitude de contrainte, la durée de vie est d ’autant plus courte que la contrainte moyenne est élevée.

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C. L’état de surface

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D. La géométrie

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E. L’environnement

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F. La fréquence d’oscillation

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Fatigue thermomécanique

Des cycles thermiques sévères peuvent aussi provoquer un endommagement et la rupture

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ExempleUne pièce d’acier 4340 est soumise en service à des contraintes variant sinusoïdalement dans le temps (rapport des contraintes R = -1). Les propriétés mécaniques de la pièce sont les suivantes:

Re0,2 = 800 MPa; Rm = 1000 MPa; A = 11%; Kc=66 MPa.m1/2

Sous ce chargement cyclique, il se forme une fissure de fatigue caractérisée par un facteur géométrique = 1,2.

A) Si max appliqué en service est de 500 MPa, quel sera la longueur critique lc1 entraînant la rupture brutale?

B) Pour cette longueur combien de cycles N la pièce aura-t-elle subi?

C) Si une surcharge accidentelle se produisait en service, quelle serait la longueur maximum lc2 de la fissure permettant d’éviter la rupture fragile.

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eur A) cc

lK

B) R = -1 a = 500 MPa N = 106 cycles

C) mMpa

mMPa

R

Kl

e

c

c

3

22

2,02

105,18002,1

6611

mMpa

mMPaKl c

c

3

22

max1

1085,35002,1

6611