La rupture due à la fatigue des matériaux est une cause importante de défaillance structurelle. Mais qu'est-ce que la fatigue des matériaux exactement ? Et quels facteurs influencent la résistance à la fatigue ou la durée de vie des composants et des structures ?
Description de la Fatigue
La fatigue des métaux est le développement progressif des dommages dans une structure ou un composant soumis à des charges cycliques, menant finalement à la rupture complète de la structure. Il est remarquable de noter que le niveau de contrainte du matériau provoquant une rupture par fatigue est considérablement inférieur aux contraintes maximales admissibles pour une charge appliquée unique et statique. Les charges responsables de la rupture par fatigue sont appelées charges de fatigue et sont de nature cyclique.
La description de la fatigue des métaux peut être divisée en deux groupes : une description métallurgique et une description mécanique.
La description métallurgique prend en compte l'état d'un matériau avant, pendant et après l'application des charges de fatigue et comprend également l'étude des mécanismes de fatigue.
La description mécanique prend en compte la réponse mécanique à un ensemble de conditions de charge, comme la prédiction du nombre de cycles de charge menant à la rupture par fatigue à un niveau de contrainte donné. La description mécanique est plus utile d'un point de vue d'ingénierie, par exemple pour prédire la durée de vie en fatigue des composants et, sur cette base, élaborer une stratégie d'inspection ou de maintenance.
Phases de la Fatigue des Métaux
La rupture par fatigue se développe généralement en trois phases différentes :
- 1. Initiation de la fissure
- L'initiation de la fissure se produit généralement à la surface d'un composant et dans des zones à contrainte élevée. La taille de la fissure à ce stade n'est généralement pas supérieure à 0,5 mm et n'est pas visible à l'œil nu.
- 2. Propagation de la fissure
- La fissure se propage à chaque cycle de charge dynamique. Au départ, la croissance de la fissure est lente, mais elle s'accélère lorsque la contrainte dans la partie non endommagée du composant commence à augmenter.
- 3. Rupture finale
- Une fois que la section de matériau non endommagée du composant est devenue trop petite pour supporter les forces, la partie se rompt complètement en un cycle de charge comme une rupture fragile.
Facteurs influençant la Fatigue
Les facteurs les plus importants influençant la fatigue des métaux sont :
- Contrainte moyenne
- Rugosité de surface
- Entailles
- Contraintes résiduelles
- Température
Contrainte moyenne
Les valeurs de contrainte peuvent être positives ou négatives. Par convention, les contraintes de compression ont un signe négatif et les contraintes de traction un signe positif. Étant donné que ce sont principalement les contraintes de traction qui sont responsables de la rupture par fatigue, une contrainte moyenne plus élevée entraîne une rupture plus précoce. Une contrainte moyenne plus élevée signifie qu'un cycle de charge contient plus ou de plus grandes contraintes de traction que de compression. Avec une charge d'amplitude constante, une contrainte moyenne de 0 MPa est causée par une charge cyclant entre -P et +P.
Rugosité de surface
Les fissures de fatigue dans un métal se développent généralement à la surface d'un composant. La fatigue des métaux est donc considérée comme un phénomène de surface. Il apparaît également que la qualité de la surface joue un rôle majeur dans la durée de vie en fatigue d'une structure. Une surface plus rugueuse entraîne une rupture par fatigue plus rapide. En savoir plus sur le Facteur de rugosité de surface KR.
Entailles
Les entailles provoquent des concentrations de contraintes locales. La fatigue survient généralement à ces endroits, mais la résistance à la fatigue est souvent un peu plus élevée que ce que les contraintes locales pourraient laisser penser.
Contraintes résiduelles
Les contraintes résiduelles sont des contraintes souvent issues d'un processus de fabrication ou de post-traitement. Les contraintes résiduelles peuvent augmenter ou diminuer la résistance à la fatigue d'une pièce. Les contraintes de traction résiduelles diminuent la résistance à la fatigue, tandis que les contraintes de compression résiduelles augmentent la résistance à la fatigue d'un matériau. Le grenaillage est un processus de post-traitement qui introduit des contraintes de compression locales et augmente donc la résistance à la fatigue.
Température
La résistance à la fatigue de certains matériaux peut également être influencée par la température. À des températures supérieures à 200°C, de nombreux matériaux commencent à afficher des changements structurels, entraînant une diminution de la résistance à la fatigue.