[Matériaux, histoire d’une vie #3] Matériaux, durée de vie et fatigue

Cogitons sciences

Qu’entend-on par fatigue lorsqu’il s’agit d’un matériau ? Comment explique-t-on ce processus ? Quels secteurs sont particulièrement concernés ?

Notre invitée Isabel Huther, Responsable Projets Fatigue au Cetim, le Centre technique des industries mécaniques, nous apporte son éclairage sur cette étape de la vie des matériaux.

Chargements et rupture [1:06 – 6:11]

Notre invitée explique que la fatigue est un processus d’endommagement des matériaux sous des sollicitations cycliques. Leurs niveaux varient au fil du temps, ainsi que leur amplitude.

Sous ces chargements cycliques et appliqués à la même zone, le matériau s’endommage dans cette zone. Une fissure s’amorce et se propage jusqu’à la rupture brutale de la pièce.

Une pièce cassée présente un plan de rupture, aussi appelé faciès de rupture. Cette pièce sollicitée en fatigue présente deux zones distinctes. Isabel Huther nous fait part des différences entre les plans de rupture, selon que le matériau dont la pièce est constituée.

Les plans de rupture en fatigue sont toujours perpendiculaires au chargement. Donc sur une pièce cassée en service et qui a subi des sollicitations en fatigue, le plan de fissuration indique quel chargement a induit la rupture.

Conception des pièces et durées de vie prédéfinies [6:11 – 12:17]

Les ruptures en fatigue interviennent souvent dans des zones de concentration de contraintes. Isabel Huther nous éclaire sur ces zones, caractérisées par des discontinuités géométriques, comme des angles droits, par exemple. Elle recommande de les éviter au moment du dimensionnement ou de la conception de pièce.

Tous les matériaux métalliques ou composites peuvent se fissurer sous des chargements cycliques. En fatigue, les matériaux se distinguent par leur qualité. Le moins le matériau a de défauts, meilleure est sa tenue en fatigue. Il risque donc moins la fissuration.

Notre invitée évoque les secteurs concernés par les phénomènes de fatigue. Les pièces et structures sont conçues au plus juste, entraînant le risque de problèmes de fissuration par fatigue. Par exemple, le poids des avions est diminué pour qu’ils consomment moins.

Les pièces sont dimensionnées vis-à-vis de leur tenue à la fatigue pour s’assurer qu’elles ne cassent pas avant les durées de vie prédéfinies.

Réduire le processus de fatigue ? [12:34 – 19:10]

La détermination de la résistance à la fatigue est expérimentale. Les données disponibles sont issues d’essais de fatigue réalisés sur des éprouvettes, fabriquées dans les matériaux caractérisés. A partir des valeurs relevées lors des essais, on peut estimer, pour une durée de vie donnée, la résistance en fatigue recherchée.

Pour minimiser les risques de fissuration par fatigue, il est nécessaire de connaître les performances du matériau en fatigue dans l’environnement d’utilisation. Il faut aussi connaître le type de chargement, ainsi que les niveaux de chargement.

Ressources pour aller plus loin :

Sur le site Techniques de l’Ingénieur. Les articles de ressources documentaires : - généralités sur la fatigue, - calcul des pièces, - réalisation des essais de fatigue. - Le webinar gratuit Découverte de la fatigue des matériaux avec Robin Hauteville.

Les recueils Cetim performance, « collection fatigue » : - Les généralités en fatigue, - Influence des paramètres en fatigue, - calcul des pièces, - Analyse des résultats d’essais de fatigue, - Recueil sur la tenue en fatigue des assemblages soudés.

L'ouvrage La fatigue des matériaux et des structures 1 : Introduction, endurance, amorçage et propagation des fissures, fatigue oligocyclique et gigacyclique sous la direction de Claude Bathias et André Pineau, éditions Hermès Lavoisier.

Cogitons Sciences est un podcast produit par Techniques de l’Ingénieur. Cet épisode a été réalisé par Marie-Caroline Loriquet, en collaboration avec Intissar El Hajj Mohamed. Le générique a été réalisé par Pierre Ginon et le visuel du podcast a été créé par Camille Van Belle.