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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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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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Calcul de fatigue (chargements simples de traction)
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2. Endommagement par fatigue
L’expérience montre que la répétition de cycles d’effort modifie et dégrade les propriétés des alliages légers et peut conduire, à terme, à la rupture de pièces.
Dans le domaine aéronautique, la fatigue des pièces en alliages légers se produit en général sans déformation plastique d’ensemble, mais avec une déformation plastique très localisée autour des accidents de forme (entailles, alésages, congés de raccordement…).
Si l’on observe de manière fine une structure sollicitée en fatigue (figure 3), nous pouvons mettre une évidence très rapidement de nombreuses microfissures à l’intérieur des grains qui composent le métal ( phase de naissance des microfissures ) [1].
Lorsque le nombre de cycles appliqué est suffisamment élevé, nous remarquons qu’un certain nombre de grains est complètement traversé par de telles microfissures. Cette phase est appelée phase de nucléation des microfissures .
Puis, éventuellement, ces microfissures se réunissent pour former une fissure macroscopique orientée plus ou moins selon la direction de cisaillement maximal ( phase de coalescence des microfissures ).
Au-delà d’une taille critique, la fissure se propage dans un plan perpendiculaire à la direction de la contrainte principale maximale de traction et donc change de direction ( phase de propagation de fissure ).
La phase d’amorçage telle que nous la concevons habituellement (amorçage macroscopique) correspond aux phases de nucléation et de coalescence des microfissures.
En pratique, les frontières entre ces différentes phases ne sont pas toujours faciles à établir.
L’objectif d’un calcul de fatigue est d’obtenir une durée de vie (nombre de cycles à rupture) qui correspond à l’ensemble des quatre phases décrites précédemment.
Un calcul de mécanique de la rupture ne prend en compte que la dernière phase : il permet d’estimer la vitesse de propagation d’une fissure déjà existante et de taille supérieure à 0,1 mm.
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Endommagement par fatigue
BIBLIOGRAPHIE
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(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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