fatigue des matériaux

1. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
Des Matériaux
Section 7.5
Sauf 7.5.4
Phénomène de fatigue

2. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
L’application de charges variables un très grand nombre de
fois peut entraîner la rupture du matériau même si ces charges
sont inférieures à la résistance ultime ou la limite élastique du
matériau. Ce phénomène est connu sous le terme de fatigue.
On estime qu’environ 80% des ruptures des matériaux sous
charge de service sont reliées à la fatigue.
Un chargement de fatigue est caractérisé par une sollicitation
variable dont la moyenne peut être nulle, positive ou négative.

3. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
Type de chargement
Sinusoïdal
Périodique
Aléatoire

4. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
Paramètres
Amplitude de contraintes: ½ (σmax – σmin)
Variation de contraintes: σmax – σmin
Contrainte moyenne: ½ ( σmax + σmin)
Rapport des contraintes (R): σmin/σmax

5. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
L’essai de
fatigue
•Fatigue-endurance défor.
élastiques N≥104
cycles
•Fatigue plastique défor.
plastiques N< 104
cycles
Vidéo 7.21
R = σmin/σmax

6. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
À partir d’essais en laboratoire, on peut tracer une
courbe d’endurance (courbe de Wöhler)

7. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
Courbe d’endurance
• zone de fatigue oligocyclique (N < 104
cycles)
• zone d’endurance limitée (104
< N < 106
cycles)
• zone de sécurité (N > 107
cycles)
σD
Limite d’endurance, σD
Probabilité de 50% de rupture

8. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
La limite d’endurance asymptotique n’est pas présente chez tous
les matériaux ductiles. Quant aux matériaux fragiles, le courbe
d’endurance se réduit pratiquement à une ligne horizontale.

9. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
Mécanismes de fatigue
I Amorçage de l’endommagement
II Propagation de la fissure
III Rupture
IV Zone de non-rupture
Vidéo 7.27

10. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
Vitesse de propagation de la fissuration
• Les défauts conduisent à une concentration de contrainte
qui entraînent l’apparition de fissure. Toutefois même une
surface lisse peut progressivement développer des
irrégularités (vidéo 7.29)
• On doit s’assurer que ces fissures n’atteindront pas la
longueur critique qui conduira à une rupture fragile de la
pièce.

11. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
Facteurs influençant le comportement en fatigue
A. Les facteurs métallurgiques
- composition chimique
- répartition des phases
- défauts de fabrication
- traitements thermiques
- microstructure
- inclusions

12. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
B. Les conditions de sollicitation
Pour une même amplitude de contrainte, la durée de vie est d ’autant plus
courte que la contrainte moyenne est élevée.

13. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
C. L’état de surface

14. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
D. La géométrie

15. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
E. L’environnement

16. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
F. La fréquence d’oscillation

17. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
Fatigue thermomécanique
Des cycles thermiques sévères peuvent aussi
provoquer un endommagement et la rupture

18. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
Exemple
Une pièce d’acier 4340 est soumise en service à des contraintes variant
sinusoïdalement dans le temps (rapport des contraintes R = -1). Les
propriétés mécaniques de la pièce sont les suivantes:
Re0,2 = 800 MPa; Rm = 1000 MPa; A = 11%; Kc=66 MPa.m1/2
Sous ce chargement cyclique, il se forme une fissure de fatigue caractérisée
par un facteur géométrique α = 1,2.
A) Si σmax appliqué en service est de 500 MPa, quel sera la longueur critique
lc1 entraînant la rupture brutale?
B) Pour cette longueur combien de cycles N la pièce aura-t-elle subi?
C) Si une surcharge accidentelle se produisait en service, quelle serait la
longueur maximum lc2 de la fissure permettant d’éviter la rupture fragile.

19. 4. Propriétés mécaniques: fatigueGCI116-Matériauxdel’ingénieur
A) cc
lK πασ=
B) R = -1 → σa = 500 MPa → N = 106
cycles
C) m
Mpa
mMPa
R
K
l
e
c
c
3
22
2,0
2
105,1
8002,1
6611 −
×=







×
⋅
=








=
παπ
m
Mpa
mMPaK
l c
c
3
22
max
1
1085,3
5002,1
6611 −
×=







×
⋅
=








=
πασπ