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31/03/2020

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Fatigue des métaux

Comment définir simplement la fatigue des métaux ? Je vais prendre un exemple : Un crochet capable de tenir éternellement une charge de 500kg, ...

 

 

Comment définir simplement la fatigue des métaux ?

Je vais prendre un exemple : 

Un crochet capable de tenir éternellement une charge de 500kg, peut se rompre si on suspend 200kg et on retire,  on remet 200kg et on retire, en renouvelant 1 million de fois, le crochet se brise.

Ce qui est vrai pour le crochet est aussi vrai pour un arbre de roue de voiture qui parcourt des centaines de milliers de kilomètres et qui a tourné plusieurs millions de fois et qui finit par se briser. (ce qui m'est arrivé avec ma 4cv Renault avec quelques dizaines de milliers de km).

Ce terme concerne les pièces qui travaillent avec des sollicitations de niveau variable.

Exemples : 

  • Arbres en rotation
  • Lames de ressorts
  • Pièces d'ouverture /fermeture
  • Pièces de chocs


Parfois les pièces travaillent et ne cassent pas. 

Les pièces ne cassent pas immédiatement, mais au bout d'un certain temps de service.

Des sollicitations mécaniques basses peuvent causer la rupture des pièces lorsque elles sont d'un certain niveau et répétitives.

Lorsque la sollicitation est, à partir d'une certaine valeur, et un certain nombre de cycles, les pièces cassent.

Il est souhaitable de connaître la limite du niveau de la sollicitation ne conduisant pas à la casse.

 

Essais de fatigue

Pour « quantifier » la tenue dans le temps des pièces sollicitées d'une manière répétitive, on procède à des essais « de fatigue ».

On sollicite une éprouvette avec des contraintes alternées.

On choisit une « technique » représentant les conditions que l'on souhaite tester.

Exemples : 

  • Tractions alternée
  • Torsions alternées
  • Flexion rotative

 

Ces essais conduisent au tracé d'une courbe de rupture en fonction du nombre de cycles et de la contrainte :

Courbe de fatigue des métaux

La valeur de la contrainte σ (sigma en grec ancien) est en ordonnée (verticale), le nombre de cycles est en abscisse (horizontal).

On constate :

En dessous de la courbe, les éprouvettes ne sont pas brisées, au-dessus de la courbe, les éprouvettes sont brisées 

Pour des contraintes élevées l'éprouvette se brise avec peu de cycles (fatigue oligocyclique).

Pour des contraintes moyennes, les éprouvettes se brisent avec un certain nombre de cycles.

Pour des contraintes très faibles  (en dessous du pointillé « limite de fatigue »), les éprouvettes ne se brisent jamais.

La compréhension de ces mécanismes permet de construire des ensembles ETERNELS.

 

Remarque

On connait la solution, mais les données de construction ne sont pas de éprouvettes, mais des pièces de formes diverses.

Et avec les formes diverses, on crée des concentrations de contraintes :

Une gorge, un changement de section, un trou, provoquent des concentrations de contraintes : exemple l'ensemble de la pièce est soumis à une contrainte de 200MPa, mais à un changement de section, la contrainte locale et localisée peut atteindre 400MPa.

On trouve des ruptures de fatigue presque TOUJOURS DANS UNE ZONE DE CONCENTRATION DE CONTRAINTES.

 

 

 
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