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RÉSUMÉ
La fatigue, c'est-à-dire la rupture de structures mécaniques sous l'effet de chargements cycliques, demeure une gageure technologique considérable, car elle survient de façon inattendue lorsque la structure fonctionne apparemment dans un régime stabilisé et sûr, sans signe extérieur de détérioration mécanique. Après avoir présenté ce contexte et les méthodes classiques de contrôle de la fatigue par émission acoustique (EA), une nouvelle méthode non destructive de détection spécifique de la propagation de fissures de fatigue est exposée à partir de multiplets acoustiques: signaux d’EA répétitifs, aux formes d'ondes quasi identiques. Des perspectives de contrôle en service sont ensuite proposées.
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Fatigue, i.e. the failure of mechanical structures under cyclic loading, remains a considerable technological challenge as it occurs unexpectedly when a structure is operating apparently in a safe and steady-state regime, with no external signs of mechanical deterioration. After introducing this context together with classical methods of fatigue monitoring from acoustic emission (AE), we present a new, non-destructive method to unambiguously detect fatigue crack propagation from specific, repeating AE signals with quasi-identical waveforms. Perspectives for in-service fatigue control are then given.
Auteur(s)
-
Stéphanie DESCHANEL : Maître de conférence à l’INSA de Lyon - MATEIS, INSA de LYON/Université de Lyon, France
-
Jérôme WEISS : Directeur de recherche au CNRS - ISTerre, CNRS/Université Grenoble-Alpes, France
INTRODUCTION
La fatigue est l’un des plus dangereux processus mécaniques menant à la rupture de pièces ou structures, rencontré dans diverses situations industrielles modernes allant des réacteurs nucléaires aux connexions micro-électroniques. Cependant, nous ne disposons pas encore de méthodes non destructives ni d’indicateurs capables de prédire la durée de vie en fatigue, généralement encore estimée de nos jours à partir de relations empiriques telles que la loi de Manson-Coffin, qui relie le nombre N R de cycles à rupture en fatigue à l’amplitude de déformation plastique cyclique imposée Δε p :
. Le problème de ce type d’approche est que les paramètres c et β dépendent du matériau, ainsi que du mode de chargement (triaxialité par exemple), et doivent donc être déterminés par de nombreux essais de calibration. Cet article présente, dans différents matériaux métalliques, la détection de signaux d’émission acoustique spécifiques de la propagation de fissures par fatigue. Ces signaux, dénommés multiplets acoustiques, se caractérisent par des formes d'ondes quasi identiques, signature d'une source unique, et sont déclenchés de façon répétée sur de nombreux cycles de chargement successifs au même niveau de contrainte. Ils marquent la propagation lente et incrémentale d'une fissure de fatigue à chaque cycle, ou le frottement le long des surfaces de rupture. Étant spécifiques à la fissuration incrémentale par fatigue, ils peuvent être utilisés comme des avertissements précurseurs de la propagation des fissures, qui mènera en définitive à une rupture globale. Leur détection et leur caractérisation ouvrent ainsi la voie à un nouveau suivi fiable de l'apparition des fissures de fatigue lors d’essais mécaniques ou au sein de structures en service.
Points clés
Domaine : Contrôle non destructif
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : Émission acoustique
Domaines d’application : Contrôle non destructif de la fissuration par fatigue
Contact :
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KEYWORDS
fatigue | failure | non-destructive monitoring | acoustic emission
DOI (Digital Object Identifier)
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Émission acoustique : rappels et définitions
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1. Contexte
Les pièces et structures soumises à des sollicitations mécaniques ou thermo-mécaniques cycliques peuvent rompre sous des niveaux de contrainte bien plus faibles que les contraintes à rupture observées sous fluage ou chargement monotone. Cette rupture par fatigue est souvent insidieuse, consistant en l’aboutissement d’un lent processus de propagation de fissures pouvant s’étendre sur plusieurs centaines ou milliers de cycles de charge sans pour autant modifier de façon détectable les propriétés physico-mécaniques du matériau à l’échelle de la pièce ou la structure en question. Elle constitue donc un problème à la fois scientifique, technologique et industriel considérable, depuis le début de la révolution industrielle dans les industries navales et ferroviaires , et non résolu, comme l’ont illustré des accidents dramatiques plus récents . Cette problématique s’est ensuite étendue à d’autres domaines comme l’aéronautique puis, plus récemment, aux industries micro-électroniques ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ALBERT (W.A.J.) - Über Treibseile am Harz. Archive für Mineralogie, Geognosie. - Bergau and Hüttenkunde, 10 : p. 215-234 (1838).
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(2) - SCHÜTZ (W.) - A history of fatigue. - Engineering fracture mechanics, 54(2) : p. 263-300 (1996).
-
(3) - ESSLINGER (V.) et al - The railway accident of Eschede-technical background. - Engineering Failure Analysis, 11(4) : p. 515-535 (2004).
-
(4) - CAMPBELL (G.), LAHEY (R.) - A survey of serious aircraft accidents involving fatigue fracture. - International Journal of Fatigue, 6(1) : p. 25-30 (1984).
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(5) - LEE (W.), NGUYEN (L.), SELVADURAY (G.S.) - Solder joint fatigue models : review and applicability to chip scale packages. - Microelectronics reliability, 40(2) : p. 231-244 (2000).
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
(Roget, J.) Essais non destructifs. L'émission acoustique, mise en œuvre et applications. AFNOR, CETIM Centre technique des industries mécaniques, 196 (1988). - Norme AFNOR NF A09-350 -
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