Comprendre une limite de fatigue d'un matériau

Le niveau de contrainte en dessous duquel un nombre illimité de cycles de chargement peut être appliqué au matériau sans induire de rupture par fatigue est appelé limite de fatigue ou limite d'endurance. L'aluminium et le cuivre, en revanche, ne le font pas et finissent par échouer même à partir de petites amplitudes de contrainte. Certains métaux, tels que les alliages ferreux et les alliages de titane, ont une limite claire.

L'expression «résistance à la fatigue» ou «résistance à l'endurance» est utilisée lorsqu'un matériau n'a pas de limite claire et est défini comme la plus grande quantité de contrainte de flexion entièrement inversée qu'un matériau peut supporter pendant un nombre prédéterminé de cycles avant de tomber par épuisement .

Les contraintes cycliques, les contraintes résiduelles, les caractéristiques des matériaux, les défauts internes, la taille des grains, la température, la géométrie de conception, la qualité de surface, l'oxydation, la corrosion, etc. ont tous un impact sur la tenue en fatigue. Il existe une valeur d'amplitude de contrainte théorique pour certains matériaux, notamment l'acier et le titane, en dessous de laquelle le matériau ne se rompra pas pendant un certain nombre de cycles. Cette valeur est appelée limite de fatigue, limite d'endurance ou résistance à la fatigue.

Dans cet article, les questions suivantes seront abordées :

• Qu'est-ce qu'une limite de fatigue ?
• Qui découvre la limite de fatigue ?
• Définitions de la limite de fatigue
• Quelles sont les valeurs typiques de la limite de fatigue ?

Qu'est-ce qu'une limite de fatigue ?

Le niveau de contrainte en dessous duquel un nombre illimité de cycles de chargement peut être appliqué au matériau sans induire de rupture par fatigue est appelé limite de fatigue ou limite d'endurance.

Pour calculer la durée de vie en fatigue d'un matériau, les ingénieurs utilisent diverses techniques. L'approche contrainte-vie, qui est parmi les plus utiles, est fréquemment caractérisée par une courbe S-N, également appelée courbe de Wöhler. La figure illustre cette technique. La contrainte appliquée (S) (N) est tracée en fonction de la durée de vie du composant ou du nombre de cycles jusqu'à la défaillance.

La durée de vie des composants augmente lentement au début, puis assez rapidement à mesure que la contrainte chute à partir d'une valeur élevée. Les données utilisées pour tracer la courbe seront traitées statistiquement car la fatigue, comme la rupture fragile, a un caractère très variable. La dispersion des résultats est le résultat de la sensibilité à la fatigue de plusieurs tests et de paramètres matériaux difficiles à réguler correctement.

Les contraintes cycliques, les contraintes résiduelles, les caractéristiques des matériaux, les défauts internes, la taille des grains, la température, la géométrie de conception, la qualité de surface, l'oxydation, la corrosion, etc. ont tous un impact sur la tenue en fatigue. Il existe une valeur d'amplitude de contrainte théorique pour certains matériaux, notamment l'acier et le titane, en dessous de laquelle le matériau ne se rompra pas pendant un certain nombre de cycles. Cette valeur est appelée limite de fatigue, limite d'endurance ou résistance à la fatigue.

Qui découvre la limite de fatigue ?

August Wöhler a proposé pour la première fois l'idée d'une limite d'endurance en 1870. Des études récentes, cependant, affirment qu'il n'y a pas de limites d'endurance pour les matériaux métalliques et que, avec suffisamment de cycles de contrainte, même la contrainte la plus faible entraînera éventuellement une rupture par fatigue.

Définitions de 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 connu sous le nom de limite de fatigue (parfois appelée limite d'endurance). Seuls certains alliages de titane et ferreux (à base de fer) peuvent atteindre cette limite car la courbe S – N de ces matériaux devient horizontale à des valeurs N plus élevées. D'autres métaux de structure, comme l'aluminium et le cuivre, n'ont pas de point de défaillance clair et cèdent progressivement même sous des contraintes mineures. Les limites standard pour les aciers vont de 290 MPa à la moitié de la résistance ultime à la traction (42 ksi).

Résistance à la fatigue

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

Durée de vie

Le comportement à la fatigue d'un matériau est défini par sa durée de vie. Selon le diagramme S–N, il s'agit du nombre de cycles nécessaires pour qu'une défaillance se produise à un niveau de contrainte donné.

Le processus de rupture par fatigue comporte trois étapes distinctes :

L'initiation de la rupture se produit lorsqu'une fissure mineure se développe à un endroit où il y a une concentration de haute tension. Propagation de la fissure, dans laquelle chaque cycle de contrainte fait avancer légèrement la fissure. La phase de croissance des fissures consomme souvent la majorité de la durée de vie en fatigue. Une fois que la fissure en expansion atteint une taille cruciale, la défaillance ultime se produit extrêmement rapidement.

À un certain point de concentration de contraintes sur la surface d'un composant, les fissures liées à la rupture par fatigue commencent presque invariablement (ou « nucléent »). Tout facteur qui augmente la concentration des contraintes et l'apparition de fissures raccourcit la durée de vie en fatigue. En conséquence, la résistance à la fatigue est améliorée par le polissage plutôt que par le meulage à un degré plus élevé de finition de surface. La résistance à la fatigue des composants métalliques sera également améliorée en renforçant et en durcissant les couches de surface.

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur une limite de fatigue :

Quelles sont les valeurs typiques d'une limite de fatigue ?

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

Les valeurs maximales habituelles pour le cuivre sont de 97 MPa, l'aluminium de 130 MPa (19 ksi) et le fer de 170 MPa (24 ksi) (14 ksi). Notez que ces valeurs s'appliquent aux éprouvettes lisses et « non entaillées ». Pour les spécimens avec des encoches, la limite d'endurance est beaucoup plus faible.

Il a été démontré que la limite de fatigue des matériaux polymères représente la ténacité inhérente des liaisons covalentes qui doivent être rompues pour étendre une fissure. Lorsque les charges sont maintenues en dessous de la résistance inhérente, un polymère peut fonctionner indéfiniment sans formation de fracture 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, qui est parmi les plus utiles, est fréquemment caractérisée par une courbe S-N, également appelée courbe de Wöhler. La figure illustre cette technique. La contrainte appliquée (S) (N) est tracée en fonction de la durée de vie du composant ou du nombre de cycles jusqu'à la défaillance.

Le niveau de contrainte en dessous duquel un nombre illimité de cycles de chargement peut être appliqué au matériau sans induire de rupture par fatigue est appelé limite de fatigue ou limite d'endurance. C'est tout pour cet article, qui répond aux questions suivantes :

• Qu'est-ce qu'une limite de fatigue ?
• Qui découvre une limite de fatigue ?
• Définitions de la limite de fatigue
• Quelles sont les valeurs typiques d'une limite de fatigue ?

J'espère que vous apprendrez beaucoup de la lecture, si c'est le cas, merci de partager avec les autres. Merci d'avoir lu, à bientôt !