Les essais de fatigue sur éprouvettes

Les essais de fatigue sur éprouvettes en matériaux métalliques (acier, aluminium, ...) permettent de déterminer la courbe de Wohler et la limite d'endurance d'un matériau sain ou à défauts contrôlés, de caractériser ainsi finement son comportement en fatigue et de calculer la tenue mécanique d'une pièce ou d'un sous-ensemble métallique.

Essais de fatigue en température
Les essais de fatigue à température ambiante sont les plus usuels. Dans certains cas, il peut s'avérer utile de connaître le comportement à chaud (ou à froid) du matériau. Si les machines de fatigue travaillant à chaud (900°C) sont assez courantes, les essais à froid (qui exigent une enceinte climatique spécifique) sont plus délicats.

Préparation des éprouvettes de fatigue
La préparation des éprouvettes de fatigue avant essais est très importante pour garantir la fiabilité des résultats. Il convient en particulier de veiller à :

• La bonne santé interne des éprouvettes afin que l'initiation des fissures n'apparaisse pas sur un défaut. Le contrôle en radioscopie numérique à 100 % et le contrôle en ressuage des éprouvettes est recommandé. La micro-tomographie est utilisée lorsque l'on recherche à acquérir une information quantifiée sur les défauts internes (position, taux de porosité, taille des défauts)
• La surface des éprouvettes doit être exempte de micro-défauts ou de stries d'usinage qui risquent d'initier une casse prématurée. Un usinage fin (et une rectification de la surface travaillante) est nécessaire. Les essais de fatigue sur surface brute de fonderie (en zone utile) sont réalisables, mais conduisent à des résultats plus dispersés.

Réalisation des essais
Les essais de fatigue étant relativement longs (plusieurs semaines pour une courbe de Wohler), le matériel et le savoir-faire déployés sont primordiaux et en particulier :

• La fréquence des machines de fatigue travaillant à 80-100 Hz est à privilégier (par rapport aux machines à 20 Hz)
• Le savoir faire du laboratoire (fixation des éprouvettes, ..., mise au point sur nuance spécifique, retour d'expériences et conseils)
• Le dépouillement et l'interprétation des résultats (intervalle de confiance, ...)

Sollicitations sinusoïdales et rapport de contraintes
La sollicitation réelle d'une pièce n'est jamais purement alternée (traction-compression pure). On effectue donc des essais avec une sollicitation sinusoïdale, mais de moyenne non nulle, qui reproduit au mieux les conditions de contraintes en utilisation d'une pièce.

On définit en particulier R = σ min / σ max, le rapport de contraintes entre les 2 points extrêmes de la sinusoïde. On ne réalise ainsi que très rarement des essais en contraintes ondulées de compression, car la probabilité de rupture est alors faible. On utilise en pratique le plus souvent des rapports de contrainte de traction entre 0.1 et 0.5. On parle alors par exemple d'essais de fatigue en R0.1 (σ min = 0.1 x σ max)

Courbe de Wohler et Staircase
La différence entre la courbe de Wohler et le Staircase réside dans :
- Le nombre d'éprouvettes requises (plusieurs dizaines dans le cas d'une courbe de Wohler et une dizaine pour un staircase)
- Le type de résultats attendus (l'ensemble de la courbe de Wohler ou uniquement la limite d'endurance pour un staircase)

Nombre de cycles en limite d'endurance
Il faut se poser la question du nombre de cycles nécessaires pour la mesure  de la limite d'endurance. Si dans certains cas (automobile, aéronautique), cette valeur est standardisée (10 millions de cycles), il peut être intéressant de reproduire le nombre de cycle réellement enduré par la pièce sur sa durée de vie pressentie (ou garantie). La fréquence de sollicitation variable (1 s., 1 min. ou 1h) va conduire au bout de 10 ans (avec un taux d'utilisation de 100 % de l'équipement) à respectivement 315 , 5 ou 0,1 millions de cycles. La bonne connaissance par le donneur d'ordre des conditions d'utilisation (type de contraintes, fréquence de sollicitation, ....) va permettre de définir avec précision le type d'essai de fatigue à réaliser.

Analyse des faciès de rupture
Lorsque l'on analyse post-mortem une surface rompue en fatigue au MEB, on observe deux zones bien différentes :

• Une première zone, où l'on peut voire des stries de fatigues globalement parallèles, correspondant à la propagation de la fissure à chaque cycle de sollicitation. On peut en particulier remonter ainsi au point d'initiation de la première fissure (utile en cas d'expertise d'avarie)
• Une deuxième zone d'arrachement, correspondant à la rupture finale qui présente des cupules si le matériau est ductile, ou des plans de clivage ou des joints de grain si la rupture est fragile.

Limite d'endurance et résistance à la traction
Il existe des formules empiriques donnant σD (la limite d'endurance en fatigue) en fonction de Rm. En première approximation, on peut considérer que :

• σD = Rm/2 pour les aciers ;
• σD = Rm/3 pour les alliages d'aluminium.

Mesurer l'impact des défauts sur la tenue en fatigue
Dans certains cas, la connaissance de l'abbatement provoquée par des défauts spécifiques (internes ou externes) sur la limite d'endurance peut s'avérer un atout certain pour dimensionner au plus juste une pièce mécanique ou définir un cahier des charges d'approvisionnement optimisé (classe de défauts acceptables en ZD et ZND).

CTIF, au travers de plusieurs centaines de courbes de Wohler réalisés pour ses clients donneurs d'ordre ou fondeur sur des éprouvettes de fonderie, de fabrication additive ou de forge a développé un savoir-faire pointu en essais de fatigue sur éprouvettes saines ou à défauts contrôlés à l'ambiante ou à chaud (900°C).

Source : CTIF