1. Introduction
2. Généralités
3. Comportement cyclique
4. Durée de vie en fatigue oligocyclique
5. Durée de vie en fatigue - Endurance
6. Paramètres influençant la durée de vie en fatigue
7. Expression mathématique de la durée de vie - Approche en contrainte
8. Expression mathématique de la durée de vie - Approche en déformation
9. Endurance multiaxiale
10. Propagation des fissures de fatigue
11. Analyse de tolérance aux dommages

Fatigue des structures - Généralités

Origine

Généralement les ruptures en fatigue se produisent suite à des sollicitations répétées dont le maxima est largement inférieur à la résistance en statique du matériau. Le phénomène se produit sans modifications du comportement macroscopique du matériau, rendant ce mode d’endommagement particulièrement sournois.

Surface de rupture

La surface de rupture se caractérise généralement par trois zones
- Site d’amorçage
- Zone de propagation
- Surface de rupture finale
Une « lèvre de cisaillement » sépare la « zone de propagation » et la « surface de rupture finale »

Modifications structurales

Dans un matériau polycristallin en traction monotone, des lignes de glissement cristallographiques émergent à la surface libre des grains favorablement orientés pour le glissement. La contrainte peut cependant être inférieure à la limite élastique macroscopique.

Lors d’une sollicitation cyclique, la non-symétrie de mouvement des dislocations provoquent la formation de zones d’exclusion et d’inclusion. Elles constituent des zones de concentration de contraintes favorisant l’apparition de microfissures.

Amorçage de fissures

Voici quelques sites favorisants l’amorce de fissures:
- Bandes de glissement
- Joints de grain
- Macles
- Porosités
- Inclusions/phases secondaires

Propagation de fissures

Chargement uniaxial :

Stade I - la contrainte maximale de cisaillement est à 45° par rapport à la direction d’application de la charge, les microfissures auront ainsi tendance à s’amorcer suivant ces mêmes plans à 45° (régime cristallographique = stade I).

Stade II - Lorsqu’une fissure principale se dégage elle aura alors tendance à se propager selon une direction perpendiculaire à la direction d’application de la charge (stade II).

Rôle des joints de grain :

Les joints de grain peuvent constituer des barrières ou des chemins de fissuration préférentiel (en particulier à haute température et en milieu corrosif)

Approche en dimensionnement

Définitions : Durée de vie totale (N_t) = durée de vie à l’amorçage (N_a) + durée de vie en propagation (N_p)

Une fois la fissuration amorcée la propagation peut être décrite selon une loi utilisant les concepts de la mécanique de la rupture.

Suivant la durée de vie visée, le type de matériau, sa géométrie et les conditions de sollicitation, l’un ou l’autre des states de rupture peut devenir prépondérant.

Dans le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles (endurance) les sollicitations sont telles que le matériau reste dans le domaine élastique.

Dans le domaine de la fatigue à faible nombre de cycles (oligocyclique) les contraintes sont généralement suffisamment élevées pour engendrer des déformations plastiques

Approche en durée de vie

Durée de vie totale = nbre de cycles pour former un fissure principale + nbre de cycle pour que ce défaut propage jusqu’à rupture finale

Deux concepts :
Durée de vie sûr (Safe Life) - 1950 : On estime alors le temps d’amorçage des fissures (déterminé expérimentalement ou par calculs). Selon cette approche un composant est remplacé avant de développer des fissures en fatigue.

Redondance (Fail Safe) - 1960 : Une structure endommagée doit pouvoir supporter un niveau de chargement sévère multiplié par un coefficient de sécurité. Des inspections périodiques doivent permettre le remplacement de l’élément défaillant.

Approche en tolérance aux dommages (1970)

On suppose que tout matériau contient un défaut (soit préexistant, soit créé en service). La durée de vie est alors définie comme le nombre de cycles nécessaires pour faire propager ce défaut jusqu’à une taille critique. On défini ainsi des intervalles d’inspection réalisée avec des contrôles non destructifs.

Ces trois approches présentées sont très différentes et se base sur des critères distincts pour un dimensionnement en fatigue. Essentiellement on se base soit sur une estimation des critères d’amorçage, soit sur les critères de propagation. Les parts relatives de l’amorçage et de la propagation sont fortement dépendantes du niveau de déformation appliqué ainsi que de la nature/microstructure du matériau.

Le choix de la méthode de dimensionnement en fatigue dépend de la nature et l’application du produit (coût, échangeabilité des pièces, conséquences d’une rupture, impacte psychologique etc…)