Dans le monde complexe de l'ingénierie et des sciences des matériaux, comprendre les causes sous-jacentes des défaillances de composants est crucial pour garantir la fiabilité et la sécurité. L'un des coupables les plus insidieux de ces défaillances est la fatigue des métaux, un phénomène qui peut conduire à des résultats catastrophiques s'il n'est pas correctement identifié et traité. Cet article explore les subtilités de la fatigue des métaux et offre des conseils sur la manière de reconnaître ce mode de défaillance des matériaux.
Comment savoir si une défaillance est due à la fatigue ?
Pour déterminer si un composant a échoué en raison de la fatigue, il faut rechercher des indicateurs spécifiques. Une fissure de fatigue prend souvent naissance dans des zones où le stress est concentré et peut, lorsqu'elle est suffisamment grande, être observée à l'œil nu. Cela indique clairement que le matériau a été soumis à des charges cycliques qui ont provoqué des contraintes inférieures à la résistance à la traction statique du matériau. Les caractéristiques typiques d'une surface de rupture après fatigue incluent des striations et des lignes de rivage, qui indiquent la progression de la fissure au fil du temps.
La fatigue des métaux, également connue sous le nom de fatigue des matériaux, est un phénomène où un composant échoue sous l'effet de charges répétées qui sont considérablement inférieures aux charges nécessaires pour provoquer une défaillance en une seule application. Ce processus est influencé par divers facteurs, y compris la présence de charges cycliques, la nature des contraintes (en particulier les contraintes de traction), et la localisation des concentrations de contraintes, comme de petits trous, des bords tranchants, et des encoches. Dans les structures soudées, la probabilité de fatigue est considérablement plus élevée au niveau ou à proximité des soudures, principalement en raison des contraintes résiduelles qui surviennent pendant le soudage. Des informations plus détaillées sur ce sujet peuvent être trouvées dans les contraintes résiduelles dans les structures soudées.
À quoi ressemble une surface de rupture par fatigue ?
Une surface de rupture par fatigue présente des caractéristiques distinctes qui peuvent aider à l'identifier comme étant le résultat de la fatigue (voir figure 1). L'apparence de la surface de rupture dans une défaillance par fatigue peut être décrite en détail comme suit :
- Site d'initiation : Le processus de défaillance par fatigue commence au site d'initiation, qui est souvent un point de concentration de contraintes sur la surface du matériau. Cela peut être dû à des défauts microscopiques, des discontinuités de surface ou des zones de haute contrainte. Le site d'initiation peut apparaître comme une petite zone lisse lorsqu'il est observé sous grossissement.
- Zone de propagation : Au fur et à mesure que la fissure se développe en raison des cycles de stress répétés, elle laisse derrière elle des marques distinctes appelées striations ou lignes de rivage. Ces marques sont essentiellement des lignes parallèles qui représentent la position du front de fissure à différentes étapes de sa croissance. La zone de propagation peut présenter :
- Striations : Des lignes fines observées sous fort grossissement qui indiquent l'avancée incrémentale de la fissure à chaque cycle de charge.
- Lignes de rivage (lignes de clapot) : Ce sont des caractéristiques plus macroscopiques qui peuvent parfois être vues à l'œil nu. Elles apparaissent comme des lignes semi-circulaires qui rayonnent depuis le site d'initiation de la fissure, ressemblant aux anneaux d'un tronc d'arbre. Les lignes de rivage se forment généralement sous des conditions d'amplitude de stress variable et tracent l'historique de la croissance de la fissure au fil du temps.
- Zone de rupture finale : C'est la partie de la surface de rupture où le matériau a finalement échoué après que la fissure ait atteint une taille critique. La zone de rupture finale est généralement rugueuse et fibreuse en apparence, contrastant avec les caractéristiques plus lisses de la zone de propagation. Cette zone indique une rupture rapide et peut montrer des signes de rupture par surcharge ductile, avec des caractéristiques telles que des cupules dans les métaux qui ont subi une rupture finale de manière ductile.
(source : Lokilech).
L'apparence générale d'une surface de rupture par fatigue est souvent comparée à une coquille de palourde, avec les zones d'initiation et de propagation lisses et plates formant la majeure partie de la surface, et la zone de rupture finale rugueuse et irrégulière à une extrémité. La transition entre la zone de propagation lisse et la zone de rupture finale rugueuse peut être assez distincte, fournissant un indice visuel de la progression de la défaillance par fatigue.