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Auteur(s)
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Didier DUPRAT : Docteur ingénieur en Génie mécanique - Bureau d’études. Aérospatiale Toulouse.
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les structures aéronautiques sont soumises, lorsqu’elles sont en service, à des sollicitations fluctuant au cours du temps. Citons pour exemples la pressurisation du fuselage, les manœuvres du pilote, les turbulences atmosphériques… L’expérience montre que la répétition de cycles d’effort modifie et dégrade les propriétés des matériaux et peut conduire, à terme, à la rupture de pièces. Ce phénomène est couramment appelé « fatigue » ou « endommagement par fatigue ». Il peut se manifester pour des niveaux de contraintes relativement faibles et inférieurs à la limite d’élasticité du matériau. Dans le domaine aéronautique, la fatigue se produit en général sans déformation plastique d’ensemble mais avec une déformation plastique très localisée autour des accidents de forme (entaille, alésage, congés de raccordement…).
La prise en compte du phénomène de fatigue doit se faire dès la conception des structures.
La question ardue à laquelle le constructeur d’aéronefs doit répondre est celle du compromis nécessaire entre les exigences économiques (durée de vie la plus élevée possible, masse structurale la plus basse possible), les exigences techniques (disponibilité et performances intrinsèques des matériaux, technologie, mise en œuvre, dessin, etc.) et les exigences réglementaires (tenue d’une structure aux charges extrêmes, maintien de la navigabilité…).
Le choix de bons matériaux revêt une importance toute particulière. On a cru pendant longtemps qu’il fallait, avant tout, rechercher des matériaux possédant une résistance à la déformation la plus élevée possible. Puis, progressivement, dans de nombreux cas, on a dû s’employer à rechercher des matériaux présentant un meilleur compromis entre leur résistance et leur ténacité ou, de façon plus générale, leur ductilité. Par ailleurs, surdimensionner n’est pas non plus une bonne solution.
Ainsi, les alliages légers sont très utilisés pour la structure des aéronefs.
La première partie de ce texte présente succinctement les caractéristiques générales des alliages d’aluminium et de titane.
Les méthodes de calcul en fatigue et mécanique de la rupture adaptés à ces alliages sont détaillés dans une seconde partie.
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Endommagement par fatigue
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1. Alliages légers
1.1 Alliages d’aluminium
Les alliages légers d’aluminium sont principalement utilisés dans l’industrie aéronautique. Ils constituent environ 70 % des matériaux utilisés pour la fabrication des avions civils.
Leurs qualités essentielles sont :
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une faible densité ;
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une conductivité électrique et une conductivité thermique élevées ;
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une bonne résistance à la corrosion ;
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une bonne aptitude à la mise en forme à chaud et à froid ;
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un bon comportement aux basses températures sans risque de fragilisation ;
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de grandes possibilités de durcissement ;
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une toxicité très faible ;
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une aptitude remarquable à se prêter à toutes sortes de traitements de surface ;
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une possibilité de recyclage.
L’aluminium peut être utilisé à différents degrés de pureté ou sous forme d’alliage, avec la plupart des métaux (cuivre, manganèse, magnésium, silicium, zinc, etc.).
Suivant le mode de transformation de ces alliages, nous pouvons distinguer :
-
les alliages de fonderie (ou de moulage) que l’on choisit pour la fabrication de pièces à partir de l’état liquide par les procédés de coulée en sable, coulée en coquille ou coulée en cire perdue ;
-
les alliages de forge (ou de corroyage) qui sont destinés à la fabrication de pièces ou de demi-produits, par des procédés de déformation mécanique à partir de l’état solide (forgeage, matriçage, laminage, tréfilage, filage, etc.).
Parmi les alliages de forge et suivant le processus utilisé pour l’obtention des niveaux de caractéristiques mécaniques, nous pouvons différencier deux familles :
-
les alliages à durcissement par écrouissage : le durcissement est obtenu par déformations importantes à température ambiante ;
-
les alliages à durcissement par précipitation : des traitements thermiques (principalement trempe et revenu) provoquent des modifications de microstructure et permettent ainsi d’augmenter la limite d’élasticité.
Les alliages d’aluminium à durcissement par précipitation sont de loin les plus employés...
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Alliages légers
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FRANÇOIS (D.) - The influence of the microstructure on fatigue. Proceeding of the Nato Advanced Study Institute on Advances in Fatigue Science and Technologie. - École centrale des arts et manufactures, Portugal, 4-15 avr. 1988.
-
(2) - DUPRAT (D.) - Fatigue damage calculation in stress concentration fields under variable uniaxial stress. - Int. J. Fatigue, 18, no 4, p. 245-253 (1995).
-
(3) - NEUBER (H.) - Theory of stress concentration for shear-strained prismatic bodies with arbitrary non-linear stress-strain law. - J. Appl. Mech., 28, p. 544-551 (1961).
-
(4) - COFFIN (L.F.), TAVERNELLI (J.F.) - A study of the effects of cyclic thermal stresses on a ductile metal. - Trans. ASME, 76, p. 931-950 (1954).
-
(5) - MANSON (S.S.), HALFORD (G.R.) - Behavior of materials under conditions of thermal stress. Heat transfer symposium. - < >Univ. of Michigan Engineering Research Institute, p. 9-75 (1953).
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