Fatigue des métaux

La défaillance par fatigue dans les structures métalliques qui subissent des charges cycliques peut se produire sans avertissement à des charges nettement inférieures à la résistance ultime d’une structure. Il est difficile de modéliser ce comportement, il est donc important d’évaluer les caractéristiques de fatigue en laboratoire et de surveiller les fissures de fatigue sur le terrain.

L’effondrement du Silver Bridge sur la rivière Ohio a attiré l’attention de la communauté des ingénieurs sur l’importance de la fatigue des métaux en 1967. Le pont s’est effondré de manière fragile en raison de la fatigue due à la corrosion, tuant 46 personnes. La défaillance due à la fatigue s’est produite dans un raccord de barre oculaire non visible pour les inspecteurs, et était probablement due à un défaut de fabrication.

La défaillance par fatigue peut se produire lorsque les matériaux subissent de nombreux cycles de charges à des contraintes qui peuvent ne représenter que 30 à 40 % de leur résistance ultime. La croissance et la propagation des fissures pendant ce type de charge cyclique peuvent entraîner une défaillance soudaine par fatigue avec peu de signes avant-coureurs. La fatigue est un processus complexe avec de nombreux facteurs affectant la résistance à la fatigue.

Des conditions de cycle élevé et de faible plage de contraintes se produisent dans les équipements ou les structures avec des pièces ou des charges mobiles, comme les voitures sur les ponts ou les machines tournantes dans une usine de fabrication. Une fatigue à faible cycle et à plage de contrainte élevée se produit dans des situations telles que les tremblements de terre.

Cette vidéo illustre la nécessité d’effectuer des essais en laboratoire sur les matériaux et de surveiller les structures soumises à des contraintes répétées et à des charges cycliques élevées pour éviter des défaillances catastrophiques par fatigue.

Une fissure de fatigue commence généralement à un angle par rapport à la contrainte normale, mais tourne ensuite et se développe perpendiculairement à la contrainte de traction principale. La fissure se propage sous l’effet d’une contrainte de traction ou pure, mais pas sous l’effet d’une contrainte de compression.

Après des chargements répétés, la fissure atteint une longueur critique et se propage soudainement à la vitesse du son, conduisant à une défaillance immédiate. La croissance initiale de la fissure produit des marques de plage caractéristiques sur la surface de rupture par fatigue. Une surface de rupture plus rugueuse est produite sur la surface du matériau qui se rompt soudainement.

La rupture par fatigue est définie par le nombre de cycles et la plage de contraintes jusqu’à la rupture. À mesure que la plage de contraintes appliquées augmente, le nombre de cycles jusqu’à la défaillance diminue. La plupart des métaux et alliages ferreux ont une limite d’endurance en dessous de laquelle ils ne tomberont pas en panne quel que soit le nombre de cycles. Les cycles à une plage de contrainte particulière sont aléatoires dans la charge cyclique réelle. Pour cette raison, il existe plus d’une plage de contraintes et plus d’un nombre correspondant représentant des cycles jusqu’à la défaillance.

La règle de Miner est utilisée en définissant un ensemble de plages de contraintes et en regroupant les cycles dans ces plages. Le nombre de cycles de charge attendus est divisé par les cycles jusqu’à la défaillance pour chaque plage de contraintes et additionné. Si la somme est supérieure à 1, une défaillance par fatigue est possible. Bien qu’il n’y ait pas de base physique pour cette équation, elle est utile à des fins de conception technique. Un grand nombre de plages de contraintes et de cycles jusqu’à la rupture peuvent être testés à l’aide d’un essai de faisceau rotatif.

Dans cet essai, une configuration de flexion en porte-à-faux est utilisée pendant que l’éprouvette est tournée. La charge à appliquer est déterminée à l’aide de la limite d’élasticité pour calculer un ensemble de plages de contraintes. Par exemple, un acier de construction typique a une limite d’élasticité de 50 ksi, et le calcul de la première plage de contrainte de plus ou moins 15 % donne une charge de plus ou moins 7,5 ksi. Cette charge est appliquée et l’éprouvette subit une tension et une compression complètes à chaque tour.

Une courbe S-N est produite en reliant la plage de contraintes à la valeur logarithmique du nombre de cycles jusqu’à la rupture. Dans la section suivante, nous testerons des éprouvettes d’acier à l’aide d’une machine à poutre plus rotative pour produire une courbe S-N pour le matériau.

Obtenez cinq échantillons de qualité A572 à tester à l’aide d’une configuration en porte-à-faux rotatif sur une machine à faisceau rotatif Moore. Les dimensions des éprouvettes utilisées et les distances jusqu’aux points de chargement sont spécifiques à la machine d’essai utilisée.

Ces dimensions peuvent varier en fonction de votre propre configuration de test. Nos spécimens mesurent 2,40 pouces de longueur et 0,15 pouce de diamètre. La petite section à col de chaque spécimen mesure 0,50 pouce de longueur et 0,04 pouce de diamètre.

Montez le premier échantillon dans la machine avec la section à col près du milieu de la poutre. Mesurez la distance entre le centre de l’éprouvette et le point de charge. Alignez soigneusement les éprouvettes de manière à ce que la poutre tourne librement et sans vaciller, puis appliquez une charge à l’extrémité du porte-à-faux. L’éprouvette en porte-à-faux est chargée à l’extrémité à l’aide d’une charge ponctuelle générée par un ensemble de ressorts et dont la valeur est surveillée par un capteur de force. La charge est appliquée par l’intermédiaire d’un roulement de sorte que la force est toujours vers le bas lorsque la poutre tourne.

La vitesse de la machine est réglée à 1400 tr/min, le compteur de cycles est réglé sur 0 et le test est lancé. La vitesse, la taille de l’éprouvette et la contrainte appliquée varient en fonction de la machine d’essai. Attendez que l’échantillon tombe en panne et notez le nombre de cycles jusqu’à la défaillance. Retirer l’échantillon défectueux de la machine d’essai et inspecter ses surfaces de rupture.

Répétez l’opération, en testant un échantillon à chacune des plages de contraintes à tester. Il faudrait tester beaucoup plus d’échantillons à chaque plage de contraintes pour obtenir des données statistiquement valides.

Calculez les plages de contraintes et le nombre de cycles et tracez les résultats. La limite d’élasticité réelle de l’éprouvette était de 65,3 ksi et sa résistance à la traction était de 87,4 ksi. Les plages de contraintes indiquées ici correspondent à entre 23 % et 92 % du rendement.

Les données montrent que pour une plage de contraintes supérieure à 15 ksi et des cycles inférieurs à 100 000, il y a une diminution de la relation linéaire entre la plage de contraintes et le log du nombre de cycles. La ligne de meilleur ajustement indique alors que pour une plage de contrainte de 25 ksi, le nombre de cycles jusqu’à la défaillance est d’environ 31 000.

En dessous d’une plage de contrainte de 15 ksi, aucune défaillance n’est indiquée. Ceci est considéré comme la limite d’endurance. La fiabilité de la limite d’endurance peut être améliorée en testant plus d’éprouvettes entre 10 ksi et 20 ksi.

Si l’on suppose que l’historique de charge cyclique d’un pont se compose d’un certain nombre de cycles et de plages de contraintes, et que nous connaissons le comportement en fatigue du matériau, nous pouvons utiliser la règle de Miner pour calculer les cycles jusqu’à la rupture.

Comme prévu, en pourcentage, les plages de stress plus élevées ont un impact beaucoup plus important sur l’accumulation des dégâts. La structure semble être proche de sa capacité de résistance à la fatigue de conception, car la valeur est proche de 1,0.

Maintenant que vous comprenez les rôles de la charge cyclique, des essais et de la surveillance dans la défaillance par fatigue, voyons des exemples de la façon dont la fatigue affecte les structures que nous utilisons tous les jours.

Les ponts subissent quotidiennement une charge cyclique. Une défaillance catastrophique a heureusement été évitée sur le pont de la rivière Brandywine à Wilmington, dans le Delaware. Une fissure importante découverte par un joggeur sur le sentier en contrebas en 1997 s’est propagée à partir d’un défaut de maniement. Des réparations ont été effectuées et le pont continue de supporter 6 voies de circulation tout en faisant l’objet d’une surveillance dans son utilisation.

Des ingénieurs ont immergé le fuselage d’une piscine pour simuler la pressurisation et la dépressurisation après l’explosion en vol de 3 avions dans les années 1950. Il a été déterminé qu’après des charges répétées dues à des concentrations de contraintes aux coins des fenêtres, une rupture par fatigue s’est produite. En conséquence, la conception moderne des avions comprend des coins plus arrondis pour contrer cette force et réduire les concentrations de contraintes.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la fatigue des métaux. Vous devriez maintenant comprendre l’idée de charge cyclique et son effet sur la défaillance par fatigue des métaux.

Merci d’avoir regardé !