fatigue (matériaux)

Fatigue des matériaux, détérioration progressive des matériaux sans déformation apparente visible à l'oil nu, aboutissant finalement à une rupture brutale. La fatigue d'un matériau résulte de l'application répétée, alternée ou cyclique de contraintes mécaniques, thermiques ou vibratoires. Même lorsque ces contraintes restent inférieures à la limite de rupture instantanée, leur répétition provoque l'apparition de microfissures internes qui s'agrandissent progressivement jusqu'à provoquer la défaillance complète de la pièce.

La rupture par fatigue apparaît de façon soudaine et imprévisible, contrairement à l'usure, à la déformation plastique ou à la corrosion, qu'il est généralement possible de détecter bien avant la rupture finale par des inspections visuelles ou des mesures techniques. Ce caractère brutal rend le phénomène particulièrement dangereux dans les domaines industriels, notamment dans les structures mécaniques, aéronautiques ou ferroviaires, où une rupture peut entraîner des conséquences graves.

L'étude de la fatigue des matériaux est donc particulièrement importante en ingénierie mécanique et en science des matériaux ; elle permet de déterminer la résistance mécanique réelle des éléments de machines et de structures soumises à des contraintes périodiques, variables ou à des vibrations prolongées. Elle sert aussi à définir des marges de sécurité et à améliorer la fiabilité des composants utilisés dans des environnements exigeants.

Historique

Les premières études systématiques de ces phénomènes furent effectuées en 1869 par l'ingénieur des chemins de fer bavarois August Wöhler, dans le cadre de recherches sur la rupture des essieux de wagon soumis à des charges répétées. Il supposa que, comme dans un organisme vivant, la répétition de contraintes « fatiguait » le matériau en diminuant progressivement ses capacités de résistance mécanique.

Cette analogie biologique ne correspond pas à la réalité physique moderne, mais le terme de « fatigue » est resté comme nom générique de ces phénomènes. Les travaux de Wöhler ont néanmoins fondé une discipline scientifique essentielle en établissant des méthodes expérimentales de caractérisation des ruptures sous cycles de charge.

L'étude de la fatigue des matériaux fait l'objet, aujourd'hui encore, de nombreux travaux de recherche en mécanique, en métallurgie et en physique des solides, principalement pour les métaux mais aussi pour les polymères et les composites. Le problème physique de la fatigue est lié à la microgéométrie de la surface du matériau, aux défauts internes, à la présence d'inclusions, ainsi qu'à sa structure atomique même, donc à sa composition chimique et à son traitement thermique.

Essais de fatigue

Les essais de fatigue permettent de déterminer expérimentalement la résistance de matériaux soumis à des contraintes variables, alternées et répétées sur de très nombreux cycles. On calcule en particulier la limite de fatigue et la limite d'endurance, qui correspondent aux seuils en dessous desquels le matériau peut théoriquement supporter un nombre très élevé de cycles sans rupture.

On applique des cycles de contraintes pouvant atteindre de 10 millions à 100 millions, voire davantage, par traction, compression, flexion, torsion ou vibrations contrôlées. Pour déterminer la limite de fatigue, on recherche l'effort maximal pouvant être appliqué au matériau sans provoquer sa rupture après un nombre donné de cycles.

Les mesures montrent que la limite de fatigue est généralement plus importante dans le cas de contraintes alternées bien définies que dans le cas de contraintes statiques continues, dans une proportion pouvant dépasser 30 %. Cela signifie qu'un matériau peut supporter davantage de sollicitations variables que de charges constantes proches de la limite.

Les résultats des essais de fatigue sont généralement présentés sous forme de graphiques appelés courbes de courbes de Wöhler. Le nombre de cycles auquel a été soumise l'éprouvette est porté en abscisse, tandis que les valeurs de l'amplitude de la contrainte sont placées en ordonnée.

La limite de fatigue est ensuite déterminée à partir de ces courbes expérimentales. Ces résultats servent de données de base essentielles pour les calculs effectués par les bureaux d'étude, qui peuvent ainsi choisir le matériau le plus adapté à leur projet en fonction de sa durée de vie prévue et des contraintes réelles d'utilisation.

Sollicitation des métaux

Dans la grande majorité des cas, les ruptures d'endurance se produisent sur des appareils fonctionnant de manière cyclique, comme les moteurs, les turbines, les compresseurs ou les structures vibrantes. Dans un moteur tournant à 3 000 tr/min, tout effort subi par une pièce est souvent répété des millions de fois en seulement quelques heures de fonctionnement.

Dans leurs calculs de conception, les ingénieurs doivent donc tenir compte non seulement de la résistance élastique et de la résistance à la rupture instantanée, mais aussi de la résistance à la fatigue, qui devient un facteur dimensionnant essentiel pour la sécurité des machines.

Le problème de la fatigue des métaux a pris une place considérable dans l'industrie aéronautique depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale, notamment avec le développement des avions rapides, des structures légères et des appareils soumis à de fortes variations de pression et de température. Des efforts de plus en plus importants ont été imposés aux structures aéronautiques se déplaçant à grande vitesse, transportant de lourdes charges et évoluant à haute altitude dans des cellules pressurisées.

De telles exigences ont posé des problèmes délicats aux ingénieurs, en particulier dans la conception des ailes, des fuselages et des moteurs. La rupture d'un matériau se produit généralement en un point où se concentrent les contraintes, comme une fissure, une rayure ou une inclusion, puis elle se propage progressivement le long des plans intercristallins du métal jusqu'à la rupture complète de la pièce.