Quels sont les modes et mécanismes de défaillance courants dans les scénarios de fatigue à cycle bas et à cycle élevé?

2 Fatigue cyclique élevée

La fatigue à cycle élevé (HCF) se produit lorsque les cycles de charge sont suffisamment petits pour provoquer une déformation élastique dans le matériau. Le nombre de cycles jusqu’à la défaillance est généralement supérieur à 10 000 et le mode de défaillance est généralement une rupture fragile. Le principal mécanisme du HCF est l’initiation et la propagation des fissures dans les régions de discontinuité microstructurale, telles que les joints de grains, les inclusions ou les limites de phase. Le taux de croissance des fissures dépend de la plage de contraintes, des propriétés du matériau et des conditions environnementales. Pour réduire le risque de HCF, vous pouvez utiliser des matériaux à haute résistance à la fatigue, appliquer des traitements de surface, améliorer la microstructure et l’homogénéité, et contrôler la plage de charge et la fréquence.

3 Modèles de durée de vie en fatigue

L’estimation de la tenue à la fatigue d’un composant ou d’une structure peut être effectuée à l’aide de divers modèles basés sur des données expérimentales et une analyse théorique. Un modèle commun est la courbe S-N, qui trace l’amplitude de la contrainte en fonction du nombre de cycles jusqu’à la rupture. Il peut être utilisé pour comparer les performances de fatigue de différents matériaux ou conceptions, ainsi que pour déterminer la limite de fatigue ou la limite d’endurance. De plus, la courbe de durée de vie de déformation trace l’amplitude de la déformation en fonction du nombre de cycles jusqu’à la rupture et est utile pour tenir compte de la déformation plastique et de la contrainte moyenne sur la durée de vie en fatigue. Enfin, la mécanique de la rupture relie le taux de croissance des fissures au facteur d’intensité de la contrainte et est utilisée pour prédire la taille et la forme de la fissure, ainsi que pour calculer la longueur critique de la fissure ou la ténacité à la rupture.

4 Méthodes d’essai de fatigue

Pour valider les modèles de fatigue et évaluer les performances de fatigue d’un composant ou d’une structure, vous pouvez utiliser différentes méthodes de test basées sur différents modes et paramètres de charge. Par exemple, un essai de fatigue axiale applique une charge axiale cyclique à une éprouvette d’amplitude et de fréquence constantes ou variables pour mesurer la courbe S-N, la courbe de déformation-durée ou le taux de croissance des fissures d’un matériau ou d’une conception. Alternativement, un essai de fatigue en flexion applique une charge de flexion cyclique à une éprouvette d’amplitude et de fréquence constantes ou variables pour mesurer des paramètres similaires. De même, un essai de fatigue de torsion utilise une charge de torsion cyclique pour mesurer les mêmes propriétés. Enfin, les essais de fatigue multiaxiale combinent des charges axiales, de flexion et de torsion sur l’éprouvette avec une amplitude et une fréquence constantes ou variables pour simuler des conditions de charge complexes dans des applications réelles.

5 Outils d’analyse de la fatigue

Pour effectuer une analyse de fatigue d’un composant ou d’une structure, il existe différents outils basés sur des méthodes numériques et des logiciels. L’analyse par éléments finis (FEA) est l’un de ces outils qui utilise un modèle discrétisé de la géométrie et des propriétés des matériaux pour calculer la distribution des contraintes et des déformations sous charge cyclique. Il peut aider à identifier les emplacements critiques et les facteurs de défaillance de la fatigue, ainsi qu’à optimiser les paramètres de conception. La prédiction de la durée de vie en fatigue (FLP) utilise les résultats FEA et les modèles de fatigue pour estimer le nombre de cycles jusqu’à la défaillance ou la probabilité de défaillance pour une condition de charge donnée. Cet outil permet d’évaluer la performance en fatigue et la fiabilité d’un composant ou d’une structure. Enfin, l’accumulation des dommages par fatigue (FDA) utilise les résultats FLP et les modèles de dommages pour calculer les dommages cumulés ou la durée de vie restante pour un historique de chargement donné. Cela peut être utilisé pour surveiller l’état de fatigue et l’entretien d’un composant ou d’une structure.

6 Voici ce qu’il faut prendre en compte

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