Fatigue (matériau)
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La fatigue est un processus (succession de mécanismes) qui sous l'action de contraintes ou déformations cycliques, répétées ou alternées modifie les propriétés locales d’un matériau et peut entraîner la formation de fissures et éventuellement la rupture de la pièce. Il est important de remarquer que la contrainte ou déformation maximale pour laquelle ce processus est activé est bien inférieure à la résistance à la traction du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...). Les étapes principales de la fatigue sont l’amorçage de fissures (si des défauts ne sont pas déjà présents dans le matériau), la propagation des fissures et la rupture finale. Les paramètres souvent utilisés pour prédire le comportement en fatigue et ainsi le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de cycles avant rupture d'une pièce sont l'intensité maximale de la sollicitation (chargement ou déformation imposée), l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de cette sollicitation, le fini de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) et le milieu dans lequel la pièce sera utilisée.

Mécanisme

Lorsque l'on exerce une contrainte monotone (par exemple une traction) sur une pièce métallique, celle-ci commence à s'endommager par déformation plastique (La déformation plastique est la déformation irréversible d'une pièce ; elle se produit par un réarrangement de la position des atomes.), à partir d'une contrainte appelée limite élastique. En théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...), il suffirait de rester en dessous de cette contrainte pour éviter l'endommagement de la pièce ; dans la pratique, on prend souvent un coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un...) de sécurité important, par exemple on étudie la pièce de sorte qu'elle ne subisse jamais, en conditions normales d'utilisation, une contrainte supérieure à la moitié de la limite élastique.

Cependant, on a localement des concentrations de contrainte, essentiellement :

  • aux angles vifs de la pièce, aux entailles ;
  • aux trous : perçage, ou encore pore (microbulle, défaut du matériau) ;
  • aux précipités (points durs à l'intérieur de la matière).

On dépasse donc localement la limite élastique, et l'on a donc un écrouissage ; le matériau se durcit

Si les contraintes sont répétées (contraintes cycliques), à partir d'un certain moment, la zone écrouie devient trop dure et ne peut plus encaisser les déformations même faibles : une fissure s'amorce. Puis, chaque fois que la contrainte se répète, la fissure s'agrandit, et cela mène rapidement à la rupture de la pièce.

Si l'on observe la surface rompue au microscope, on a un faciès typique : on voit des stries globalement parallèles, correspondant à la propagation de la fissure à chaque sollicitation, puis une zone d'arrachement, correspondant à la rupture finale.

Globalement, le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de germination de la fissure peut représenter jusqu'à 90 % de la durée de vie (La vie est le nom donné :) de la pièce, la propagation de la fissure ne représente alors que 10 %. Il est important de comprendre que durant 90 % de la durée du phénomène, on ne voit strictement rien, il se produit juste une modification de la structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en...) du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons...).

Estimation de la fatigue

Courbes de fatigue

Dans le cas de base, la pièce considérée est soumise à des cycles de contraintes d'amplitude crête-creux (stress range) constante S. Des essais systématiques permettent d'estimer le nombre N de cycles qu'elle peut supporter sans périr. Ceux-ci définissent la courbe S-N ou courbe de Wöhler.

On admet généralement que la période et la forme exacte des oscillations sont sans effet sur le nombre de cycles admissible. D'autre part, la résistance en fatigue peut être modifiée par de nombreux facteurs (état de surface, causes aléatoires, type de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...), température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...), concentration de contrainte dans une discontinuité,...), ce qui peut conduire à des études laborieuses.

Fatigue des détails structurels

Des règles ont été établies pour certaines classes de détails structurels, particulièrement pour l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de...) ou l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) au niveau des soudures. Elles utilisent la contrainte nominale et tentent de prendre en compte tous les facteurs de modification possibles. Cette méthode, recommandée par les sociétés de classification marines, facilite le travail des concepteurs au prix d'hypothèses souvent trop pessimistes.

Les courbes S-N correspondantes sont généralement décrites par l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons...) suivante dans laquelle a et k sont des valeurs associées au type de détail considéré :

N = aS k

Il est commode de lui donner une forme légèrement différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace,...) en définissant le dommage créé par n cycles comme

D = \frac{n}{N} = \frac{n}{a}S^k

La pièce doit se rompre lorsque ce dommage atteint l'unité.

Enfin, dans l'acier, il existe une limite d'endurance, Contrainte en dessous de laquelle il n'y a plus de fatigue : la pièce supporte un nombre infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de limite en...) de cycles.

Toutefois, dans l'aluminium il n'existe pas de telle limite. Même sous un chargement (Le mot chargement peut désigner l'action de charger ou son résultat :) minime, la pièce finira par se briser par fatigue. On ne sait juste pas quand!

Règle de Miner

Dans un problème concret, la pièce subit des cycles d'amplitudes très variées. La règle de Miner, ou de Palmgren-Miner, pose que les dommages correspondants sont additifs. La rupture se produit donc lorsque la somme des dommages relatifs à chaque amplitude atteint l'unité.

Pratiquement, le principe du calcul consiste à diviser les cycles en catégories dans lesquelles les amplitudes et les périodes sont voisines et pour lesquelles on a pu estimer une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) d'apparition. La durée d'exploitation étant donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.), en la multipliant par cette fréquence on obtient la durée probable de la catégorie. En divisant cette durée par la moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques...) des périodes correspondantes, on obtient un nombre de cycles qui permet de calculer un dommage partiel (Le mot partiel peut être employé comme :). Il ne reste plus qu'à additionner les dommages partiels et vérifier que la somme est inférieure à l'unité.

Fatigue-corrosion (Très comparable à la corrosion sous contrainte, le phénomène de fatigue-corrosion apparaît sous l'action conjuguée de l'environnement et d'une sollicitation cyclique. Il se manifeste par un abaissement de la résistance du matériau à...)

Le phénomène de fatigue peut être aggravé par la corrosion : un matériau résistant très bien à la fatigue et très bien à la corrosion dans un milieu donné, peut se rompre de manière catastrophique sous l'effet combiné de la fatigue et de la corrosion.

Voir l'article détaillé Fatigue-corrosion.

Solutions

La prévention (La prévention est une attitude et/ou l'ensemble de mesures à prendre pour éviter qu'une situation (sociale, environnementale,...) de la rupture par fatigue repose essentiellement sur deux point :

  • la conception de la pièce (design) :
    • réduction des concentrations de contrainte : éviter les angles vifs, préférer les arrondis, utiliser des trous larges, polir la surface pour éviter les aspérités ;
    • choix du matériau : préférer des métaux peu alliés pour éviter la présence de précipités (compromis à trouver avec les autres propriétés nécessaires) ;
  • surveillance des pièces sensibles et changement préventif.

Exemples

  • Aviation : les avions sont soumis à des contraintes cycliques décolage-montée-descente-atterrissage ; ceci est aggravé par des conditions d'utilisation spécifiques, comme pour les avions bombardiers d'eau ;
  • En mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), la fatigue due aux vagues peut entraîner des catastrophes, en particulier sur les installations pétrolières ;
  • fracture (En traumatologie, le terme de fracture désigne par définition une solution de continuité osseuse ("rupture" des os).) des os par fatigue chez les sportifs ;
  • rupture d'un crochet de levage de charges.
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