Maîtriser les limites de fatigue : comment les matériaux résistent aux cycles de contrainte infinis

Le niveau de contrainte en dessous duquel un nombre illimité de cycles de chargement peut être appliqué à un matériau sans provoquer de rupture par fatigue est appelé limite de fatigue ou limite d'endurance. L'aluminium et le cuivre, en revanche, n'en possèdent pas et finissent par se rompre même sous de faibles amplitudes de contrainte. Certains métaux, comme les alliages ferreux et les alliages de titane, présentent une limite nette.

L'expression "résistance à la fatigue" ou "résistance d'endurance" est utilisée lorsqu'un matériau n'a pas de limite claire ; elle est définie comme la plus grande contrainte de flexion entièrement inversée qu'un matériau peut supporter pour un nombre prédéterminé de cycles avant de faillir par épuisement.

Qu'est-ce qu'une limite de fatigue ?

La limite de fatigue ou limite d'endurance est le niveau de contrainte en dessous duquel un nombre illimité de cycles de chargement peut être appliqué sans provoquer de rupture par fatigue.

Pour calculer la durée de vie en fatigue d'un matériau, les ingénieurs emploient diverses techniques. L'approche contrainte-vie, parmi les plus utiles, est souvent caractérisée par une courbe S-N, aussi appelée courbe de Wöhler. Cette méthode trace la contrainte appliquée (S) contre la durée de vie du composant ou le nombre de cycles jusqu'à la rupture (N).

La durée de vie du composant augmente lentement au début, puis très rapidement à mesure que la contrainte diminue depuis une valeur élevée. Les données utilisées pour tracer la courbe sont traitées statistiquement car la fatigue, comme la rupture fragile, a une nature variable. La dispersion des résultats provient de la sensibilité de la fatigue à plusieurs paramètres d'essai et de matériau difficiles à contrôler parfaitement.

Les contraintes cycliques, contraintes résiduelles, caractéristiques du matériau, défauts internes, taille de grain, température, géométrie de conception, qualité de surface, oxydation, corrosion, etc., influencent tous la durée de vie en fatigue. Pour certains matériaux, notamment l'acier et le titane, il existe une valeur théorique d'amplitude de contrainte en dessous de laquelle le matériau ne faillit pas quel que soit le nombre de cycles. Cette valeur est appelée limite de fatigue, limite d'endurance ou résistance à la fatigue.

Qui a découvert la limite de fatigue ?

August Wöhler a d'abord proposé l'idée d'une limite d'endurance en 1870. Des études récentes soutiennent toutefois qu'il n'existe pas de limites d'endurance pour les matériaux métalliques et que, donné un nombre suffisant de cycles, même la contrainte la plus faible finira par provoquer une rupture par fatigue.

Définitions liées à la limite de fatigue

Les termes suivants sont définis pour la courbe S-N :

Limite de fatigue

Le niveau de contrainte en dessous duquel la rupture par fatigue ne se produit pas est appelé limite de fatigue (ou limite d'endurance). Seuls certains alliages de titane et ferreux (à base de fer) atteignent cette limite car leur courbe S-N devient horizontale aux valeurs élevées de N. D'autres métaux structurels, comme l'aluminium et le cuivre, n'ont pas de point de rupture net et cèdent progressivement même sous de faibles contraintes. Les limites standards pour les aciers varient de 290 MPa à la moitié de la résistance à la traction ultime (42 ksi).

Résistance à la fatigue

Selon l'ASTM, la résistance à la fatigue (SNf) est le niveau de contrainte auquel la rupture survient après un nombre prédéterminé de cycles (ex: 10⁷ cycles). Par exemple, l'alliage de titane Ti-6Al-4V recuit a une résistance à la fatigue d'environ 240 MPa à 10⁷ cycles avec un facteur de concentration de contrainte = 3,3.

Durée de vie en fatigue

Le comportement en fatigue d'un matériau est défini par sa durée de vie en fatigue. Selon le tracé S-N, c'est le nombre de cycles nécessaires pour que la rupture se produise à un niveau de contrainte donné.

Trois étapes distinctes composent le processus de rupture par fatigue :

L'amorçage de la fissure se produit lorsqu'une micro-fissure se développe à un point de concentration de contrainte élevée. La propagation de la fissure, où chaque cycle de contrainte fait avancer la fissure. La phase de croissance de la fissure consomme souvent la majeure partie de la durée de vie en fatigue. Une fois que la fissure en croissance atteint une taille critique, la rupture finale survient très rapidement.

Les fissures liées à la rupture par fatigue démarrent presque invariablement à un point de concentration de contrainte à la surface d'un composant. Tout facteur augmentant la concentration de contrainte et l'apparition de fissures raccourcit la durée de vie en fatigue. Ainsi, le polissage (plutôt que le meulage) pour obtenir une finition de surface plus fine améliore la durée de vie en fatigue. Le renforcement et le durcissement des couches de surface des composants métalliques améliorent également leur durée de vie en fatigue.

Quelles sont les valeurs typiques pour une limite de fatigue ?

La limite (Se) pour les aciers varie généralement de 290 MPa à la moitié de la résistance à la traction ultime (42 ksi). (Se) est typiquement 0,4 fois la résistance à la traction ultime pour les alliages de fer, d'aluminium et de cuivre.

Les valeurs maximales habituelles sont : cuivre 97 MPa, aluminium 130 MPa (19 ksi), fer 170 MPa (24 ksi) (14 ksi). Notez que ces valeurs s'appliquent à des éprouvettes lisses et "sans encoche". Pour des éprouvettes avec encoche, la limite d'endurance est beaucoup plus faible.

La limite de fatigue pour les matériaux polymères représente la ténacité intrinsèque des liaisons covalentes qui doivent être rompues pour propager une fissure. Lorsque les charges restent en dessous de la résistance intrinsèque, un polymère peut fonctionner indéfiniment sans formation de fissure tant que d'autres processus thermochimiques ne perturbent pas la chaîne polymère.

En résumé

Pour calculer la durée de vie en fatigue d'un matériau, les ingénieurs utilisent diverses techniques. L'approche contrainte-vie, caractérisée par une courbe S-N ou courbe de Wöhler, trace la contrainte appliquée (S) contre la durée de vie ou le nombre de cycles jusqu'à la rupture (N). La limite de fatigue est le niveau de contrainte en dessous duquel un nombre illimité de cycles peut être appliqué sans rupture par fatigue. Cet article a répondu aux questions : qu'est-ce qu'une limite de fatigue, qui l'a découverte, définitions, et valeurs typiques.