Exemple d`observation de fissuration par fatigue - Ben-AF

ESSAI DE FATIGUE
Introduction
Dans la plupart des applications, les efforts appliqués ne sont
pas simples et constants, mais variables et répétés. Lorsque
les pièces sont soumises à ce genre d’efforts, elles se
rompent au bout d’un certain temps plus ou moins long, sans
que jamais la contrainte ne dépasse la résistance à la rupture
et même parfois à la limite élastique. Ainsi les constructeurs
ont mis au point des méthodes de sollicitations variables
dans le temps. Il en existe plusieurs méthodes selon qu’il
s’agisse de traction-compression, flexion plane, flexion
rotative ou de la torsion.
La rupture d’un matériau sous l’effet des contraintes
répétées ou alternées s’appelle « fatigue » et son aptitude à
résister à la rupture s’appelle « endurance ».
Exemple d’observation de fissuration par fatigue
Figure : Rupture fragile d’un liberty-ship (seconde guerre mondiale) au cours d’un hiver
rigoureux, (b) rupture d’un autopont lors d’un tremblement de terre.
Sollicitations dans un essai de fatigue
1.
2.
3.
Sollicitation alterné : les efforts changent de signes alternativement entre deux
valeurs égales en intensité (+F) et (-F) autour d’une position d’équilibre.
Sollicitation répétée : les efforts de même sens varient de zéro à une contrainte
valeur (+F) ou (-F) et vis-versa
Sollicitation ondulée : les efforts de même sens varient d’une valeur F1 à une
valeur F2 supérieure en intensité.
Durée de vie=nombre de cycles de contraintes
Paramètres influençant la durée de vie:
La différence de contraintes : Δσ
La géométrie du détail de construction;
Les caractéristiques du matériau;
Les effets de l’environnement .
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Courbes de Wöhler, courbes S-N
Les essais de fatigue conventionnels consistent à soumettre une éprouvette de
traction-compression ou de flexion à des cycles de contraintes. On mesure le
nombre de cycles à rupture N pour chaque type de sollicitation (), puis on trace la
courbe S-N, qui donne la variation de la contrainte en fonction du nombre de
cycles à la rupture.
Figure : Courbe de Wöhler,
donnant la durée de vie d’un
matériau
métallique
en
fonction de l’amplitude de
contrainte appliquée.
Nombre de cycles
ANALYSE DE LA COURBE
On distingue trois domaines sur la courbe de
Wöhler :
1.
Le domaine de la fatigue oligocyclique
La durée de vie la plus courte possible est obtenue
lorsque la contrainte appliquée est la contrainte
maximale du matériau. Lorsque les contraintes
appliquées diminuent, le matériau est sollicité en
plasticité et peut endurer un nombre de cycles de
fatigue qui dépond de l’amplitude de la
déformation plastique qui lui imposée à chaque
cycle (chaque cycle conduit à une déformation
plastique macroscopique p et à un durcissement
par écrouissage). Pour les matériaux métalliques,
on admet que jusqu’à (104 − 105 ) cycles, on a la
relation de COFFIN suivante :
𝑁𝑛 .∆𝜀𝑝=𝐶 𝑛≈0.5
ANALYSE DE LA COURBE
2.
Domaine d’endurance limitée
Correspond à des niveaux de contraintes
inférieurs à la limite élastique, c’est le
domaine classique de la fatigue, où la rupture
provient de l’amorçage de fissures et de leurs
propagation par fatigue jusqu’à la rupture.
Plus le niveau de contrainte est faible, plus la
part de la phase d’amorçage dans la durée de
vie augmente. Pour les matériaux métalliques,
on peut caractériser ce domaine par la relation
de Weibull :
𝑛
𝑁(𝜎−𝜎𝐹) = 𝐶 𝑛 ≈0.5 𝑒𝑡 𝜎𝐹 ∶ 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑′𝑒𝑛𝑑𝑢𝑟𝑎𝑛𝑐𝑒
ANALYSE DE LA COURBE
3. Domaine de l’endurance illimitée
C’est le cas où les contraintes maximales sont
inférieures à 𝜎𝐹 , ce qui signifie que la rupture
ne se produit pas même au bout d’un nombre
de cycle « infini », soit parce qu’ aucun
défauts ne c’est amorcé, soit parce que les
fissures cessent de se propager. Le nombre de
cycles N soit supérieur à 107 -109 cycles.
STADES D’ENDOMMAGEMENT
1.Phase d’amorçage
2.Phase de propagation
3.Phase de rupture
Phase d’amorçage
Amorçage sur défaut
L’amorçage peut se produire, soit sur un défaut, pré-existant dans
le matériau ou créé au cours de la vie du matériau (rayure, piqûre
de corrosion etc…), soit par micro-plasticité en surface.
Dans les pièces de fonderie les défauts principaux que l’on
rencontre sont des ségrégations (dislocations), des inclusions. Dans
les matériaux frittés, le défaut principal rencontré est la porosité du
matériau due à une absence de cohésion entre grains de poudres.
Dans les pièces forgées, les défauts sont ceux du lingot, modifiés
par la déformation de corroyage. Les inclusions par exemple, sont
brisées et leurs fragments dispersés au cours du corroyage.
Il peut aussi exister dans le matériau des fissures internes liées au
procédé de mise en forme ou aux traitements thermiques.
Figure : Amorçage d’une fissure de
fatigue, (a) sur une inclusion de
céramique subsurfacique, (b) sur
une porosité, alliage à base de
Nickel N18 élaboré par métallurgie
des poudres, [Pommier,1995]
Figure : Amorçage de micro-fissures de
fatigue dans une fonte à graphite
sphéroïdal, les fissures s’amorcent sur
les nodules ou sur les porosités, les
porosités sont sévères. [Dierickx,1996]
Examen au MEB d'une craquelure a la surface d'une plaque de polypropylene
Schéma de retirement des chaines de
polymère dans les fibrilles rejoignant
les lèvres d'une craquelure. La ruptures
de fibrilles adjacentes conduit a une
amorce de fissuration macroscopique.
Phase d’amorçage
Amorçage par micro-plasticité cyclique
La seconde famille de mécanismes d’amorçage comprend les
différents mécanismes d’amorçage associés à une déformation
plastique cyclique en surface.
La formation d’intrusions et d’extrusions en surface, est
généralement invoquée pour expliquer ce mécanisme. Lorsque le
matériau est déformé dans son domaine d’élasticité macroscopique,
il existe néanmoins des grains qui sont favorablement orientés pour
le glissement ou qui sont soumis à une surcontrainte locale et qui
entrent en plasticité. Comme cette déformation plastique reste très
localisée, elle est quasi-indétectable à l’échelle macroscopique, on
parle alors de micro-plasticité.
La localisation de déformations plastiques sur des plans intenses de
défauts conduisant à la formation de fissures qui se propagent ensuite
par fatigue.
Figure : Mécanisme de formation d’extrusion et intrusion à la surface
d’un échantillon sollicité en fatigue sous l’effet d’une déformation
plastique cyclique localisée et présentant une certaine irréversibilité.
Phase de propagation
Dans les tout premiers stades de la fissuration, il est généralement observé que la fissure
se développe le long des plans de glissement des dislocations. On parle alors de stade
cristallographique.
Lorsque la longueur de la fissure augmente, la fissure se propage plus régulièrement, avec
une sensibilité moindre à la cristallographie du matériau. On peut alors observer des stries
de fatigue sur la surface de rupture qui sont typiques d’une propagation par fatigue. Ces
stries correspondent aux émoussements successifs à l’extrémité de la fissure qui se
produisent lors des phases d’ouvertures de la fissure. Ces stries sont également observées
dans des matériaux ductiles non-cristallins, tels que des plastiques.
Fissures en surface du matériau avant rupture
Stries de fatigue dans un alliage d’aluminium