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Auteur(s)
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Jian LU : Professeur en génie mécanique à l’Université de technologie de Troyes (UTT) - Directeur du département Génie des systèmes mécaniques et du Laboratoire des systèmes mécaniques et d’ingénierie simultanée (LASMIS)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le phénomène de fatigue est un processus complexe. Le nombre de facteurs d’influence est très important. S’il est possible de tester les matériaux sous certaines conditions, il sera difficile de réaliser tous les essais avec une sollicitation représentative et la géométrie réelle des composants mécaniques. Il est cependant intéressant d’analyser rapidement le rôle et l’effet de chaque paramètre pouvant changer les éléments d’appréciation. Il n’est pas possible de considérer les effets de manière intégrée. Chaque paramètre est donc analysé de manière séparée. On distingue différents types de paramètres : les facteurs relatifs à la sollicitation et à l’environnement, à la géométrie et aux matériaux. Dans la première catégorie de paramètres, on peut citer : le type de la sollicitation (uniaxiale, multiaxiale avec ou sans déphasage), les contraintes moyennes, le spectre de chargement et de surcharge, la fréquence du chargement, la température, la corrosion et le « fretting ». Dans la deuxième catégorie de paramètres, on trouve : l’état de surface, l’effet d’entaille et l’effet d’échelle. Dans la troisième catégorie de paramètres, on a enfin : les caractéristiques du matériau, la micro-structure du matériau, les contraintes résiduelles, les traitements de surface. Un concepteur doit analyser l’ensemble de ces paramètres pour en dresser une liste aussi exhaustive que possible et les quantifier pour calculer la résistance à la fatigue de sa pièce. Le but de cet article est de lui fournir les données et la méthodologie nécessaires pour chiffrer ces facteurs dans un calcul prévisionnel et de lui indiquer les limites de leur emploi.
On peut, soit par l’analyse de résultats bibliographiques, soit (et c’est préférable) à partir d’essais dynamiques réels, connaître la limite d’endurance d’un matériau dans des conditions bien précises (forme de l’éprouvette ou de la pièce, conditions d’essais, etc.). Mais, au stade de la fabrication ou en cours d’utilisation, d’autres facteurs vont intervenir qui, finalement, auront une influence primordiale, bénéfique ou néfaste, sur la tenue en service du produit fini. Tout l’art du concepteur consiste précisément à dresser une liste aussi exhaustive que possible de ces différents facteurs d’influence. Il devra ensuite chiffrer chacun d’entre eux pour enfin calculer l’endurance de sa pièce.
Cet article est la suite de Fatigue des alliages ferreux. Définitions et diagrammes . L’article suivant donne des exemples de calcul de pièces en fatigue.
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5. Température
De nombreux résultats d’essais montrent que le rapport d’endurance ( σ D / R m) reste généralement constant lorsque la température varie. La limite d’endurance varie donc dans le même sens que les caractéristiques mécaniques des aciers lorsque ceux-ci sont soumis à des sollicitations de fatigue à une température autre que la température ambiante. On peut donc prévoir la limite d’endurance à partir des courbes de variation de la résistance à la traction en fonction de la température.
Il est toutefois nécessaire de prendre un certain nombre de précautions si la pièce risque de travailler dans des conditions limites, à savoir à basse et à haute température.
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Fatigue à basse température [3]
La résistance à la rupture augmente lorsque la température diminue ; il en sera de même de la limite d’endurance. Mais, dans le cas des pièces ou éprouvettes entaillées, il faut tenir compte de la diminution, voire de la disparition, du phénomène d’adaptation à fond d’entaille. C’est ainsi qu’à basse température, la valeur du coefficient de concentration de contraintes effectif K f a tendance à se rapprocher de la valeur du coefficient théorique de concentration de contraintes K t (qui est d’ailleurs, parmi d’autres, l’une des limitations de l’utilisation de K f).
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Fatigue à haute température [1]
Généralement, lorsque la température croît, on observe une baisse de la résistance à la traction et une baisse encore plus forte de la limite d’élasticité. Cette règle générale peut cependant être contrariée pour les phénomènes métallurgiques qui peuvent advenir pour certains types d’aciers (vieillissement et durcissements structuraux sur les aciers à 0,17 % de carbone par exemple). Dans ce cas précis, il est constaté un phénomène de retard en température du gain escompté par l’augmentation de résistance en fonction, par ailleurs, des conditions d’essais (si R m est maximale pour 200 ˚C, σ D purement alternée sera maximale vers 300 ˚C et σ D répétée sera maximale vers 400 ˚C). Il ne s’agit toutefois que d’un cas particulier qui justifie le cas général.
Lorsque la température...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BRAND (A.), FLAVENOT (J.F.), GRÉGOIRE (R.), TOURNIER (C.) - Recueil de données technologiques sur la fatigue - . CETIM (1980).
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(2) - KLOOS (K.H.) - Influence de l’état de surface et de la dimension de la pièce sur la tenue en fatigue sous sollicitation avec l’amplitude constante ou par bloc - . VDI Berchte, no 268, 63 (1976).
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(3) - SURESH (S.) - Fatigue of materials - . Cambridge University Press (1991).
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(4) - CHABOCHE (J.L.), LEMAÎTRE (J.) - Mécanique des matériaux solides - . Dunod (1996).
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(5) - NEPPIRAS (E.A.) - Techniques and equipment for fatigue testing at very high frequencies - . Proceedings ASTM 59, p. 691-710, Philadelphia.
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(6) - BATHIAS (C.) - There is no infinite fatigue life in metallic materials - . Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 22, 559-565.
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