La fatigue des matériaux fait référence à la détérioration d'un matériau causée par des charges appliquées de manière répétée, ce qui peut entraîner une défaillance structurelle ou des fissures au fil du temps. La distinction entre la fatigue mégacyclique et oligocyclique est cruciale pour comprendre comment les matériaux se comportent sous différentes conditions de contrainte.
Qu'est-ce que la fatigue mégacyclique (HCF) ?
La fatigue mégacyclique survient lorsque les matériaux sont soumis à des contraintes bien inférieures à leur limite d'élasticité, sur un grand nombre de cycles. La défaillance se produit généralement après des millions de cycles en raison de la propagation de microfissures au fil du temps. L'accent est mis en HCF sur l'endurance des matériaux sous des niveaux de contrainte relativement faibles mais pour un très grand nombre de cycles. Elle est souvent associée à une déformation élastique, ce qui signifie que le matériau ne subit pas de déformation permanente (significative) avant la rupture.
- Définition: La HCF est identifiée lorsque la durée de vie en fatigue d'un composant s'étend sur un grand nombre de cycles, généralement 105 cycles ou plus.
- Contrainte et Déformation: Elle implique des niveaux de contrainte inférieurs, généralement en dessous de la limite d'élasticité du matériau, ce qui correspond à un comportement élastique à l'échelle macroscopique. Le matériau ne subit pas de déformation permanente au cours des cycles de chargement.
- Nombre de Cycles: Le grand nombre de cycles jusqu'à la rupture reflète les niveaux de contrainte inférieurs impliqués, nécessitant plus de cycles pour qu'une fissure se forme et se propage jusqu'à la rupture.
- Applications et Analyse: La HCF est pertinente dans des situations où un composant est soumis à de nombreux cycles de contraintes relativement faibles, comme les pièces de machines tournantes ou les structures soumises à des vibrations. La méthode de la courbe S–N (stress–life) est couramment utilisée pour prédire la durée de vie des composants dans des conditions de HCF en traçant la plage de contraintes en fonction du nombre de cycles jusqu'à la rupture.
- Courbe du matériau: Pour prédire la fatigue mégacyclique, une courbe S–N est utilisée. La courbe S–N, également connue sous le nom de courbe de Wöhler, représente graphiquement la relation entre la plage de contraintes appliquée à un matériau et le nombre de cycles jusqu'à la rupture. L'axe vertical de la courbe S–N représente la plage de contraintes appliquée. L'axe horizontal représente le nombre de cycles jusqu'à la rupture. La courbe S–N est généralement représentée dans un graphique log–log (voir figure 1 ci-dessous).
Qu'est-ce que la fatigue oligocyclique (LCF) ?
La LCF se produit lorsque les matériaux sont soumis à des contraintes plus élevées, dépassant généralement la limite d'élasticité, sur un plus petit nombre de cycles. Cela peut entraîner une défaillance structurelle en quelques milliers voire centaines de cycles. La LCF se caractérise par une déformation plastique significative, où le matériau subit des changements permanents de forme avant de se briser.
- Définition: La LCF se produit lorsque les matériaux sont soumis à des charges à fortes amplitudes, entraînant des vies en fatigue jusqu'à environ 104 cycles.
- Contrainte et Déformation: Cette condition est caractérisée par des niveaux de contrainte plus élevés, souvent proches ou supérieurs à la limite d'élasticité du matériau, entraînant une déformation plastique à l'échelle macroscopique pendant chaque cycle. Cela signifie que le matériau subit des changements de forme permanents visibles à l'échelle macroscopique.
- Nombre de Cycles: En raison de la contrainte plus élevée et de la déformation plastique qui en résulte, le nombre de cycles jusqu'à la rupture est relativement faible.
- Applications et Analyse: La LCF est importante dans les scénarios où les composants sont soumis à des conditions de contrainte sévères qui provoquent une déformation plastique, comme les pièces de moteur soumises à des contraintes thermiques. La méthode de la courbe E–N ou ε–N (strain–life) est généralement employée pour l'analyse de la LCF, en prenant en compte les composantes élastiques et plastiques de la déformation pour estimer la durée de vie en fatigue.
- Courbe du matériau: Pour prédire la fatigue oligocyclique, une courbe E–N ou ε–N est utilisée. La courbe ε–N, également connue sous le nom de courbe de vie en déformation totale, représente graphiquement la relation entre l'amplitude de la déformation et le nombre de cycles jusqu'à la rupture sous des conditions de chargement cycliques. L'axe vertical de la courbe ε–N représente l'amplitude de la déformation, qui est la moitié de la plage de déformation dans un cycle complet de chargement et de déchargement. L'amplitude de la déformation combine à la fois les composantes élastiques et plastiques de la déformation, reflétant la déformation totale subie par le matériau. L'axe horizontal représente le nombre de cycles de déformation que le matériau peut supporter avant de se rompre. Cela peut aller d'un nombre relativement faible (centaines à milliers) pour les matériaux soumis à des conditions de déformation élevée à des nombres beaucoup plus élevés sous des conditions de déformation faible (voir figure 2 ci-dessous).
Principales différences entre la fatigue mégacyclique et oligocyclique
- La frontière entre la LCF et la HCF n'est pas définie par un nombre précis de cycles, mais plutôt par les niveaux de contrainte et la réponse du matériau — déformation macroplastique pour la LCF et comportement élastique pour la HCF.
- La principale distinction réside dans les niveaux de contrainte et la déformation résultante : la LCF est associée à des contraintes élevées et à une déformation macroplastique, tandis que la HCF implique des contraintes plus faibles et une déformation élastique.
- Les méthodes d'analyse diffèrent entre les deux, la LCF utilisant la méthode de la courbe de vie en déformation (méthode E–N ou ε–N) en raison de son accent sur la déformation plastique, tandis que la HCF utilise la méthode de la courbe S–N adaptée à l'analyse du comportement élastique.
Comprendre ces nuances est essentiel pour prédire avec précision la défaillance des matériaux, concevoir des composants durables et garantir la fiabilité des structures et des machines sous des conditions variées de contrainte et de fatigue.