ESSAI DE FATIGUE Introduction Dans la plupart des applications, les efforts appliqués ne sont pas simples et constants, mais variables et répétés. Lorsque les pièces sont soumises à ce genre d’efforts, elles se rompent au bout d’un certain temps plus ou moins long, sans que jamais la contrainte ne dépasse la résistance à la rupture et même parfois à la limite élastique. Ainsi les constructeurs ont mis au point des méthodes de sollicitations variables dans le temps. Il en existe plusieurs méthodes selon qu’il s’agisse de traction-compression, flexion plane, flexion rotative ou de la torsion. La rupture d’un matériau sous l’effet des contraintes répétées ou alternées s’appelle « fatigue » et son aptitude à résister à la rupture s’appelle « endurance ».

Exemple d’observation de fissuration par fatigue Figure : Rupture fragile d’un liberty-ship (seconde guerre mondiale) au cours d’un hiver rigoureux, (b) rupture d’un autopont lors d’un tremblement de terre.

Sollicitations dans un essai de fatigue Sollicitation alterné : les efforts changent de signes alternativement entre deux valeurs égales en intensité (+F) et (-F) autour d’une position d’équilibre. Sollicitation répétée : les efforts de même sens varient de zéro à une contrainte valeur (+F) ou (-F) et vis-versa Sollicitation ondulée : les efforts de même sens varient d’une valeur F1 à une valeur F2 supérieure en intensité.

Durée de vie=nombre de cycles de contraintes Paramètres influençant la durée de vie: La différence de contraintes : Δσ La géométrie du détail de construction; Les caractéristiques du matériau; Les effets de l’environnement .

Courbes de Wöhler, courbes S-N Les essais de fatigue conventionnels consistent à soumettre une éprouvette de traction-compression ou de flexion à des cycles de contraintes. On mesure le nombre de cycles à rupture N pour chaque type de sollicitation (), puis on trace la courbe S-N, qui donne la variation de la contrainte en fonction du nombre de cycles à la rupture. Figure : Courbe de Wöhler, donnant la durée de vie d’un matériau métallique en fonction de l’amplitude de contrainte appliquée. Nombre de cycles

ANALYSE DE LA COURBE On distingue trois domaines sur la courbe de Wöhler : Le domaine de la fatigue oligocyclique La durée de vie la plus courte possible est obtenue lorsque la contrainte appliquée est la contrainte maximale du matériau. Lorsque les contraintes appliquées diminuent, le matériau est sollicité en plasticité et peut endurer un nombre de cycles de fatigue qui dépond de l’amplitude de la déformation plastique qui lui imposée à chaque cycle (chaque cycle conduit à une déformation plastique macroscopique p et à un durcissement par écrouissage). Pour les matériaux métalliques, on admet que jusqu’à ( 10 4 − 10 5 ) cycles, on a la relation de COFFIN suivante :

ANALYSE DE LA COURBE Domaine d’endurance limitée Correspond à des niveaux de contraintes inférieurs à la limite élastique, c’est le domaine classique de la fatigue, où la rupture provient de l’amorçage de fissures et de leurs propagation par fatigue jusqu’à la rupture. Plus le niveau de contrainte est faible, plus la part de la phase d’amorçage dans la durée de vie augmente. Pour les matériaux métalliques, on peut caractériser ce domaine par la relation de Weibull :

ANALYSE DE LA COURBE Domaine de l’endurance illimitée C’est le cas où les contraintes maximales sont inférieures à 𝜎 𝐹 , ce qui signifie que la rupture ne se produit pas même au bout d’un nombre de cycle « infini », soit parce qu’ aucun défauts ne c’est amorcé, soit parce que les fissures cessent de se propager. Le nombre de cycles N soit supérieur à 107 -109 cycles.

Phase d’amorçage Phase de propagation Phase de rupture STADES D’ENDOMMAGEMENT Phase d’amorçage Phase de propagation Phase de rupture

Phase d’amorçage Amorçage sur défaut L’amorçage peut se produire, soit sur un défaut, pré-existant dans le matériau ou créé au cours de la vie du matériau (rayure, piqûre de corrosion etc…), soit par micro-plasticité en surface. Dans les pièces de fonderie les défauts principaux que l’on rencontre sont des ségrégations (dislocations), des inclusions. Dans les matériaux frittés, le défaut principal rencontré est la porosité du matériau due à une absence de cohésion entre grains de poudres. Dans les pièces forgées, les défauts sont ceux du lingot, modifiés par la déformation de corroyage. Les inclusions par exemple, sont brisées et leurs fragments dispersés au cours du corroyage. Il peut aussi exister dans le matériau des fissures internes liées au procédé de mise en forme ou aux traitements thermiques.

Figure : Amorçage d’une fissure de fatigue, (a) sur une inclusion de céramique subsurfacique, (b) sur une porosité, alliage à base de Nickel N18 élaboré par métallurgie des poudres, [Pommier,1995] Figure : Amorçage de micro-fissures de fatigue dans une fonte à graphite sphéroïdal, les fissures s’amorcent sur les nodules ou sur les porosités, les porosités sont sévères. [Dierickx,1996]

Examen au MEB d'une craquelure a la surface d'une plaque de polypropylene Schéma de retirement des chaines de polymère dans les fibrilles rejoignant les lèvres d'une craquelure. La ruptures de fibrilles adjacentes conduit a une amorce de fissuration macroscopique.

Amorçage par micro-plasticité cyclique Phase d’amorçage Amorçage par micro-plasticité cyclique La seconde famille de mécanismes d’amorçage comprend les différents mécanismes d’amorçage associés à une déformation plastique cyclique en surface. La formation d’intrusions et d’extrusions en surface, est généralement invoquée pour expliquer ce mécanisme. Lorsque le matériau est déformé dans son domaine d’élasticité macroscopique, il existe néanmoins des grains qui sont favorablement orientés pour le glissement ou qui sont soumis à une surcontrainte locale et qui entrent en plasticité. Comme cette déformation plastique reste très localisée, elle est quasi-indétectable à l’échelle macroscopique, on parle alors de micro-plasticité. La localisation de déformations plastiques sur des plans intenses de défauts conduisant à la formation de fissures qui se propagent ensuite par fatigue.

Figure : Mécanisme de formation d’extrusion et intrusion à la surface d’un échantillon sollicité en fatigue sous l’effet d’une déformation plastique cyclique localisée et présentant une certaine irréversibilité.

Phase de propagation Dans les tout premiers stades de la fissuration, il est généralement observé que la fissure se développe le long des plans de glissement des dislocations. On parle alors de stade cristallographique.

Lorsque la longueur de la fissure augmente, la fissure se propage plus régulièrement, avec une sensibilité moindre à la cristallographie du matériau. On peut alors observer des stries de fatigue sur la surface de rupture qui sont typiques d’une propagation par fatigue. Ces stries correspondent aux émoussements successifs à l’extrémité de la fissure qui se produisent lors des phases d’ouvertures de la fissure. Ces stries sont également observées dans des matériaux ductiles non-cristallins, tels que des plastiques. Fissures en surface du matériau avant rupture Stries de fatigue dans un alliage d’aluminium