Les fissures de fatigue sont généralement le résultat de déformations plastiques périodiques dans des zones locales. La fatigue est définie comme « une défaillance sous une charge répétée ou d'autres types de conditions de charge, et ce niveau de charge n'est pas suffisant pour provoquer une défaillance lorsqu'il n'est appliqué qu'une seule fois ». Cette déformation plastique se produit non pas à cause de la contrainte théorique sur le composant idéal, mais parce que la surface du composant ne peut pas être réellement détectée.

August Wöhler est le pionnier de la recherche sur la fatigue et propose une méthode empirique. Entre 1852 et 1870, wöhler étudie la rupture progressive des essieux ferroviaires. Il a construit le banc d'essai illustré à la figure 1. Ce banc d'essai permet à deux essieux ferroviaires d'être tournés et pliés en même temps. Wöhler a tracé la relation entre la contrainte nominale et le nombre de cycles conduisant à la rupture, qui sera plus tard connue sous le nom de diagramme SN. Chaque courbe est encore appelée ligne aw ö hler. La méthode Sn est encore aujourd'hui la méthode la plus utilisée. Un exemple typique de cette courbe est illustré à la figure 1.

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Figure 1 essai de fatigue en flexion par rotation de W ö hler

Plusieurs effets peuvent être observés à travers la raie de wöhler. Tout d'abord, nous notons que la courbe SN en dessous du point de transition (environ 1000 cycles) n'est pas valide car la contrainte nominale ici est élastoplastique. Nous montrerons plus tard que la fatigue est causée par la libération d'énergie de déformation plastique de cisaillement. Par conséquent, il n'y a pas de relation linéaire entre la contrainte et la déformation avant rupture, et elle ne peut pas être utilisée. Entre le point de transition et la limite de fatigue (environ 107 cycles), l'analyse basée sur Sn est valide. Au-dessus de la limite de fatigue, la pente de la courbe diminue fortement, de sorte que cette région est souvent appelée la région de "durée de vie infinie". Mais ce n'est pas le cas. Par exemple, un alliage d'aluminium n'aura pas une durée de vie infinie, et même l'acier n'aura pas une durée de vie infinie sous une charge d'amplitude variable.

Avec l'émergence de la technologie d'amplification moderne, les gens peuvent étudier les fissures de fatigue plus en détail. Nous savons maintenant que l'émergence et la propagation des fissures de fatigue peuvent être divisées en deux étapes. Au stade initial, la fissure se propage à un angle d'environ 45 degrés par rapport à la charge appliquée (le long de la ligne de contrainte de cisaillement maximale). Après avoir traversé deux ou trois joints de grains, sa direction change et s'étend le long de la direction d'environ 90 degrés par rapport à la charge appliquée. Ces deux étapes sont appelées fissure de stade I et fissure de stade II, comme le montre la figure 2.

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Figure 2 Diagramme schématique de la croissance des fissures au stade I et au stade II

Si nous observons une fissure de stade I à fort grossissement, nous pouvons voir que la contrainte alternée conduira à la formation d'une bande de glissement continue le long du plan de cisaillement maximal. Ces bandes coulissantes glissent d'avant en arrière, un peu comme un jeu de cartes, ce qui entraîne des surfaces inégales. La surface concave forme finalement une fissure « bourgeonnante », comme le montre la figure 3. Dans la phase I, la fissure se dilatera dans ce mode jusqu'à ce qu'elle rencontre le joint de grain et s'arrêtera temporairement. Lorsque suffisamment d'énergie est appliquée aux cristaux adjacents, le processus se poursuit.

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Figure 3 Schéma de principe d'une bande de glissement continue

Après avoir traversé deux ou trois joints de grains, la direction de propagation de la fissure passe maintenant en mode phase II. A ce stade, les propriétés physiques de propagation des fissures ont changé. La fissure elle-même constitue un macro-obstacle au flux de contraintes, provoquant une forte concentration de contraintes plastiques en pointe de fissure. Comme le montre la figure 4. Il convient de noter que toutes les fissures de stade I ne se développeront pas au stade II.

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Fig4

Afin de comprendre le mécanisme de propagation de l'étape II, nous devons considérer la situation de la section de fond de fissure au cours du cycle de contrainte. Comme le montre la figure 5. Le cycle de fatigue commence lorsque la contrainte nominale est au point "a". Au fur et à mesure que l'intensité de la contrainte augmente et passe par le point "B", nous remarquons que la pointe de la fissure s'ouvre, entraînant une déformation plastique locale par cisaillement, et la fissure s'étend jusqu'au point "C" dans le métal d'origine. Lorsque la contrainte de traction diminue par le point "d", on observe que le fond de fissure se ferme, mais la déformation plastique permanente laisse une dentelure unique, dite "ligne de coupe". Lorsque tout le cycle se termine au point "e", nous observons que la fissure a maintenant augmenté la longueur "Da" et formé des lignes de coupe supplémentaires. Il est maintenant entendu que la plage de croissance des fissures est proportionnelle à la plage de déformation élastique-plastique appliquée en pointe de fissure. Une plage de cycles plus grande peut former un Da plus grand.

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Fig. 5 Représentation schématique de la propagation des fissures au stade II

Facteurs affectant le taux de croissance des fissures de fatigue

L'influence des paramètres suivants sur le taux de croissance des fissures de fatigue est étudiée et expliquée conceptuellement :

1Contrainte de cisaillement

D'après le diagramme, nous pouvons voir qu'une certaine "quantité" de contrainte de cisaillement est libérée lors du changement périodique de l'intensité de la contrainte nominale. Et plus la gamme de changements de contrainte est grande, plus l'énergie libérée est importante. Grâce à la courbe SN illustrée à la figure 1, nous pouvons voir que la durée de vie en fatigue diminue de façon exponentielle avec l'augmentation de la plage de cycle de contrainte.

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Fig. 6 contrainte et déformation élastoplastique le long de la surface de glissement et à la racine de la fissure

2 stress moyen

La contrainte moyenne (contrainte résiduelle) est également un facteur affectant le taux de rupture par fatigue. Conceptuellement, si la contrainte d'expansion est appliquée à la fissure de phase II, la fissure sera forcée de s'ouvrir, de sorte que tout cycle de contrainte aura un effet plus significatif. Au contraire, si la contrainte de compression moyenne est appliquée, la fissure sera forcée de se fermer et tout cycle de contrainte doit surmonter la contrainte de précompression avant que la fissure puisse continuer à se dilater. Des concepts similaires s'appliquent également aux fissures de stade I.

3 finition de surface

Étant donné que les fissures de fatigue apparaissent généralement d'abord sur la surface des composants où il y a des défauts, la qualité de la surface affectera sérieusement la probabilité d'apparition de fissures. Bien que la plupart des échantillons de test de matériaux aient une finition miroir, ils atteindront également la meilleure durée de vie à la fatigue. En fait, la plupart des composants ne peuvent pas être comparés aux échantillons, nous devons donc modifier les propriétés de fatigue. L'état de surface a un effet plus important sur la fatigue des composants soumis à des cycles de contraintes de faible amplitude.

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Figure 7 Schéma de principe de l'influence de la séquence de cycles L'influence de l'état de surface peut être exprimée par modélisation, c'est-à-dire en multipliant la courbe SN par le paramètre de correction de surface à la limite de fatigue.

4 traitement de surface

Le traitement de surface peut être utilisé pour améliorer la résistance à la fatigue des composants. Le but du traitement de surface est de former une contrainte de compression résiduelle sur la surface. Sous la période de faible amplitude, la contrainte sur la surface est évidemment faible, et maintient même l'état de compression. Par conséquent, la durée de vie en fatigue peut être considérablement prolongée. Cependant, comme nous l'avons souligné, cette situation n'est valable que pour les composants soumis à des cycles de contraintes de faible amplitude. Si une période de forte amplitude est appliquée, la précompression sera surmontée par la période de forte amplitude, et ses avantages seront perdus. Comme pour la qualité de surface, l'impact du traitement de surface peut être montré par modélisation.

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