Qu’est-ce que la fatigue – Courbe S-N – Courbe de Woehler – Définition

En science des matériaux, la fatigue est l’affaiblissement d’un matériau causé par un chargement cyclique qui entraîne des dommages structurels progressifs, cassants et localisés. Une fois qu’une fissure s’est amorcée, chaque cycle de chargement augmentera légèrement la fissure, même lorsque des contraintes alternées ou cycliques répétées sont d’une intensité considérablement inférieure à la résistance normale. Les contraintes peuvent être dues à des vibrations ou à des cycles thermiques. Les dommages de fatigue sont causés par:

• action simultanée de contraintes cycliques,
• contrainte de traction (qu’elle soit appliquée directement ou résiduelle),
• souche plastique.

Si l’un de ces trois éléments n’est pas présent, une fissure de fatigue ne s’amorcera pas et ne se propagera pas. La majorité des défaillances techniques sont causées par la fatigue.

Bien que la fracture soit de type fragile, sa propagation peut prendre un certain temps, en fonction à la fois de l’intensité et de la fréquence des cycles de stress. Néanmoins, il y a très peu, voire aucun, avertissement avant la panne si la fissure n’est pas remarquée. Le nombre de cycles nécessaires pour provoquer une rupture par fatigue à une contrainte maximale particulière est généralement assez important, mais il diminue à mesure que la contrainte augmente. Pour certains aciers doux, les contraintes cycliques peuvent être poursuivies indéfiniment à condition que la contrainte maximale (parfois appelée résistance à la fatigue) soit inférieure à la valeur limite d’endurance. Un bon exemple de rupture par fatigue est la rupture d’une fine tige ou d’un fil d’acier avec les mains après l’avoir plié plusieurs fois au même endroit. Un autre exemple est une roue de pompe déséquilibrée entraînant des vibrations qui peuvent provoquer une défaillance par fatigue. Le type de fatigue le plus préoccupant dans les centrales nucléaires est la fatigue thermique. La fatigue thermique peut provenir de contraintes thermiques produites par des changements cycliques de température. Les gros composants tels que le pressuriseur, la cuve du réacteur et la tuyauterie du système du réacteur sont soumis à des contraintes cycliques causées par les variations de température pendant le démarrage du réacteur, les changements de niveau de puissance et l’arrêt.

Durée de vie en fatigue – Courbe SN

L’American Society for Testing and Materials définit la durée de vie en fatigue, N_f, comme le nombre de cycles de contrainte d’un caractère spécifié qu’un spécimen subit avant qu’une défaillance d’une nature spécifiée ne se produise. La durée de vie en fatigue est affectée par les contraintes cycliques, les contraintes résiduelles, les propriétés des matériaux, les défauts internes, la taille des grains, la température, la géométrie de conception, la qualité de surface, l’oxydation, la corrosion, etc. Pour certains matériaux, notamment l’acier et le titane, il existe une valeur théorique de contrainte amplitude en dessous de laquelle le matériau ne se rompra pas pendant un certain nombre de cycles, appelée limite de fatigue, limite d’ endurance ou résistance à la fatigue.

Les ingénieurs utilisent un certain nombre de méthodes pour déterminer la durée de vie en fatigue d’un matériau. L’une des plus utiles est la méthode contrainte-vie, généralement caractérisée par une courbe SN, également appelée courbe de Wöhler. Cette méthode est illustrée sur la figure. Il trace la contrainte appliquée (S) par rapport à la durée de vie du composant ou au nombre de cycles jusqu’à la défaillance (N). Au fur et à mesure que la contrainte diminue à partir d’une valeur élevée, la durée de vie des composants augmente lentement au début, puis assez rapidement. Parce que la fatigue comme la rupture fragile a une telle nature variable, les données utilisées pour tracer la courbe seront traitées statistiquement. La dispersion des résultats est une conséquence de la sensibilité à la fatigue d’un certain nombre de paramètres d’essai et de matériaux impossibles à contrôler avec précision.

Les termes suivants sont définis pour la courbe SN:

• Limite de fatigue. La limite de fatigue (également parfois appelée limite d’endurance) est le niveau de contrainte en dessous duquel la rupture par fatigue ne se produit pas. Cette limite n’existe que pour certains alliages ferreux (à base de fer) et de titane, pour lesquels la courbe S – N devient horizontale à des valeurs N plus élevées. D’autres métaux de structure, tels que l’aluminium et le cuivre, n’ont pas de limite distincte et finiront par échouer même à partir de petites amplitudes de contrainte. Les valeurs typiques de la limite pour les aciers sont la moitié de la résistance ultime à la traction, jusqu’à un maximum de 290 MPa (42 ksi).
• Résistance à la fatigue. L’ASTM définit la résistance à la fatigue, S _Nf , comme la valeur de la contrainte à laquelle la rupture se produit après un certain nombre de cycles spécifiés (par exemple, 10⁷ cycles). Par exemple, la résistance à la fatigue de l’alliage de titane Ti-6Al-4V recuit est d’environ 240 MPa. à 10⁷ cycles et le facteur de concentration de contrainte = 3,3.
• La vie en fatigue. La durée de vie caractérise le comportement à la fatigue d’un matériau. C’est le nombre de cycles pour provoquer une défaillance à un niveau de contrainte spécifié, tel qu’il est tiré du diagramme S – N

Le processus de rupture par fatigue se caractérise par trois étapes distinctes:

• Amorçage de fissure, dans lequel une petite fissure se forme à un certain point de forte concentration de contraintes.
• Propagation de la fissure, au cours de laquelle cette fissure progresse progressivement à chaque cycle de contrainte. La majeure partie de la durée de vie en fatigue est généralement consommée dans la phase de croissance des fissures.
• La rupture ultime, qui se produit très rapidement une fois que la fissure en progression a atteint une taille critique.

Les fissures associées à la rupture par fatigue commencent presque toujours (ou nucléent) à la surface d’un composant à un certain point de concentration de contraintes. Tout ce qui entraîne une concentration de contraintes et le développement de fissures réduira la durée de vie en fatigue. Par conséquent, l’augmentation du degré de finition de surface, le polissage par rapport au meulage, améliore la résistance à la fatigue. L’augmentation de la résistance et de la dureté des couches de surface des composants métalliques améliorera également la résistance à la fatigue.

Fatigue polycyclique vs fatigue polycyclique

La fatigue a été séparée en régions de fatigue polycyclique et de fatigue polycyclique. La principale différence entre la fatigue polycyclique et la fatigue polycyclique est le nombre de cycles jusqu’à la rupture. La transition entre LCF et HCF est déterminée par le niveau de contrainte, c’est-à-dire la transition entre les déformations plastiques et élastiques.

• La fatigue polycyclique nécessite plus de 10⁴ cycles jusqu’à la rupture lorsque la contrainte est faible et principalement élastique.
• La fatigue oligocyclique est caractérisée par une déformation plastique répétée (c’est-à-dire à chaque cycle) et par conséquent, le nombre de cycles jusqu’à la rupture est faible. Dans la région plastique, de grands changements de déformation peuvent être produits par de petits changements de contrainte. Des expériences ont montré que la fatigue oligocyclique est également une croissance de fissures.

Les ruptures de fatigue, à la fois pour le cycle haut et le cycle bas, suivent toutes les mêmes étapes de base du processus d’initiation de fissure, de croissance de fissure de stade I, de croissance de fissure de stade II et enfin de rupture ultime.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Fatigue