Essais Mécaniques

 

Cours essais Mécaniques Par TRIAA Salim

année universitaire 2014/2015

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifiqu Scientifique e Université des Sciences et de la Technologi Technologie e Houari Boumediene

Faculté de Génie Mécanique et Génie des procédés 

Polycopie de cours Intitulé : LES ESSAIS MÉCANIQUES

Préparé par TRIAA Salim

Année 2014/2015 1

 

Cours essais Mécaniques Par TRIAA Salim

année universitaire 2014/2015

PREFACE Ce polycopié est destiné à être un support pédagogique pour les élèves de la troisième année science technique « ST ». Il s’agit  d’enseignement de base des propriétés mécaniques. Le cours est articulé sur plusieurs chapitres : la traction, la dureté, la résilience et la fatigue des matériaux. Dans le premier chapitre, nous allons étudier les principales caractéristiques mécaniques, tels que l’élasticité, la rigidité, le module de Youg, la contrainte élastique, plasticité, la contrainte à la rupture et la striction. Dans le deuxième chapitre, nous traiterons les trois principaux essais de dureté, à savoir l’essai de dureté Rockwell (bille et cône), l’essai de dureté brinell et l’essai de dureté Vickers. Ces trois essais vont permettre à l’étudiant de bien assimiler l’importance de la dureté comme

caractéristique principale des mécanismes travaillants en friction. fr iction.

L’essai de résilience est abordé dans le troisième chapitre, l’absorption des

énergies occasionnées par des chocs brusques et sévères par les matériaux est une caractéristique très importante. L’étudiant acquerra les bases de l’essai Charpy (poids du pendule, forme de l’éprouvette en V ou en U ainsi

que ces dimensions). Le dernier chapitre traitera la fatigue des matériaux sous l’effet de cycles

répétés, afin de déterminer la durée de vie des pièces selon la contrainte appliquée. La courbe de Wöhler est le principal diagramme exploité. J’espère que ce modestavail permettra aux étudiants un minimum de savoir

dans le domaine des caractéristiques mécaniques pour une exploitation rationnelle des résultats obtenus.

S. TRIAA

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LES ESSAIS MÉCANIQUES Introduction Les essais mécaniques des matériaux sont utilisés pour connaître de manière expérimentale les valeurs des caractéristiques principales des matériaux afin de les utiliser de manière optimale pour les constructions mécaniques. Par exemple, dans un alternateur, alternateur, les roulements à billes doivent avoir certaines caractéristiques de dureté, de résilience et de résistance à la fatigue pour être performants (figure).

Quelques définitions :     

 

 

la traction, situation où un matériau est tiré de part et d’autre ;  la compression, situation où un matériau est poussé de part et d’autre ;  le cisaillement, situation où deux sections successives d’un matériau sont soumises à des efforts ayant tendance à les faire glisser l’une sur l’autre ;  la torsion, situation où un matériau est soumis à un couple opposé de part et d’autre. Deux sections successives ont tendance à glisser en rotation l’une par rapport à l’autre ;  

 

la flexion, situation où un matériau est soumis à un effort placé loin de l’encastrement de la pièce, celui -ci ayant tendant à faire fléchir la pièce ; 3

 

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l’élasticité, aptitude d’un matériau à se déformer sans entraîner de

déformations irréversibles au sein de la matière. Le caoutchouc est un exemple de matière ayant une grande élasticité ; La ténacité est la capacité d'un matériau à résister à la propagation d'une fissure; cela s'oppose à la fragilité. Plus précisément, on définit la ténacité  comme étant la quantité d'énergie qu'un matériau peut absorber avant de casser. Les matériaux pouvant se déformer plastiquement ont donc une plus grande ténacité que les matériaux à déformation uniquement élastique comme le verre. la plasticité, aptitude d’un matériau à se déformer de manière irréversible jusqu’à la rupture. La pâte à modeler est un exemple de matière ayant une grande plasticité ; la ductilité, aptitude d’un matériau à se déformer plastiquement sans entraîner sa rupture. L’allongement en pourcentage (A %) est son

 

     

principal indicateur. Si A=5% le matériau est ductile. Sinon, il est fragile ; la dureté, aptitude d’une pièce à résister aux pressions de contact (rayures, poinçonnage). Les différentes échelles de dureté correspondent aux outils utilisés pour la mesure de celle-ci ; la résilience, aptitude d’une pièce à résister aux chocs (en J/m²) ;  le fluage, aptitude d’un matériau à résister à un effort continu dans le temps, par exemple le verre d’une vitre ;   la fatigue, aptitude d’un matériau à résister aux efforts alternés sur un matériau au cours du temps : flexion, traction ou torsion alternées. 

Intérêt des essais mécaniques Le plus souvent, on choisit un matériau pour ses qualités de tenue mécanique dans les conditions d'emploi prévues : déformation élastique (élasticité) ou plastique (ductilité) sans rupture, résistance à la pénétration (dureté), au choc (ténacité) ou à la fatigue (endurance). Au contraire de la plupart des mesures physiques, ces propriétés complexes dépendent fortement de l'état structural du matériau, de la forme de l'éprouvette utilisée et des conditions d'essai. C'est pourquoi les essais mécaniques ont un caractère largement conventionnel. Mais leur bonne représentativité des conditions réelles de l'emploi des matériaux les rend particulièrement utiles (l'ingénieur). Les essais mécaniques sont en effet destines à simuler, aussi fidèlement que possible mais de façon simplifiée et reproductible, 4

 

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ces conditions d'emploi pour déterminer les propriétés mécaniques du matériau et prévoir ainsi son comportement en service. La plupart des simulations réalisées par ces essais nécessitent la confection d'éprouvettes normalisées. Ces essais sont donc destructifs et ne peuvent guère être effectués que un prélèvement pas pas un échantillon statistique. On sur distingue les e ssais neoù constituant le temps n’a d’influence directe (traction, dureté) et ceux qui dépendent du temps (fluage et la fatigue).

1 - L'essai de traction L'essai de traction constitue l'essai mécanique de base puisqu'il permet de déterminer les caractéristiques mécaniques retenues pour la définition d'une nuance d'acier. Cet essai s'est imposé du tait qu'il permet d'obtenir des valeurs quantifiées pouvant être prises comme référence dans les différents calculs utilisés dans la construction métallique.

1. Principe de l'essai de traction L'essai de traction consiste à soumettre une éprouvette de forme définie a un effort de traction applique de façon continue jusqu’à  rupture de l’éprouvette et à enregistrer la déformation de l'éprouvette on fonction de la force appliquée, le diagramme obtenu constituant la courbe de traction. L’essai est effectué à la température ambiante ou a une température supérieur à l'ambiante mais en général inférieure à 1000°C. Le type de l’éprouvette dépend de la forme et des dimensions du produit dont on veut déterminer les caractéristiques mécaniques Sans entrer dans les détails qui sont donnes dans les normes d'essai de traction, les principaux types d’éprouvettes utilises sont les suivants en fonction des principaux types de produits sidérurgiques. s idérurgiques.

a)  Cas des tôles, plats, d'épaisseurs supérieures ou égares à 3 mm, des barres, fils ou profilés de diamètre ou cote supérieure à 4 mm. L’éprouvette est en général une éprouvette usinée comportant une partie calibrée raccordée par des congés à des têtes d’amarrages qui peuvent être de toute forme adaptée aux dispositifs de fixation de la machine d’essai. La 5

 

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section de l'éprouvette peut être circulaire, carrée, rectangulaire. En général, le diamètre de la partie calibrée des éprouvettes cylindriques ne doit pas être inférieur à 4 mm Sur la partie calibrée sont portés des repères permettant de définir la longueur sur laquelle doit être mesure l’allongement. On distingue en particulier    

la longueur initiale entre repères (L0) longueur entre repères avant l’application de la charge. La longueur ultime entre repères (Lu) longueur entre repères après rupture de l'éprouvette et reconstitution de celle-ci, les 2 fragments étant rapprochés soigneusement de manière que leurs axes soient dans le prolongement l'un de l’autre.

En règle générale, on utilise des éprouvettes proportionnelles c'est-à-dire des éprouvettes dont la longueur initiale entre repères(L 0) est reliée à la section initiale de la partie calibrée (S0) selon la relation   . Le coefficient de proportionnalité k retenu est égal à 5,65.

 =  √ 

Le tableau suivant donne les principaux types d ’éprouvettes à section circulaire employés

Tableau 1. — Dimensions des éprouvettes à séction circulaire Langueur entre repère (L0)

Diamètre d en mm

Section S0 en mm²

Longueur calibrée (Lc) mm

Longueur totale Lt 

Dépond du mode de 100  1.0 50  0.5 25  0.25

20  0.150 10  0.075 5  0.040

314 78.5 19 ?6

110 à 140 55 à 70 28 à 35

fixation de l’éprouvette

dans les attaches de la machine. En principe Lt  Lc + 2d ou 4d

Dans le cas des profilés, fils, l’éprouvette peut être également constituée par un tronçon du produit

b)  Cas des tôles, feuillards, plats d’épaisseur d’épaisseur intérieure à 3 mm. L’éprouvette usinée de section rectangulaire comporte généralement une partie calibrée raccordée par des congés à des têtes d'amarrages 6

 

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L’éprouvette  peut être également constituée par une bande à cotés

parallèles L'épaisseur de l’éprouvette est toujours celle du produit. comme dans le cas précédent des repères définissant la longueur initiale entre repères sont portés sur l’éprouvette. Les deux types d’éprouvettes utilisés sont   définis dans le tableau suivant : TABLEAU 2 : DIMENSIONS DES EPROUVETTES PLATES  Epaisseur mm

0.5 à 3.0 exclus 0.5 à 2.0 inclus

Largeur mm

Longueur initiale Longueur Lc mm entre repères L0 mm

Longueur des bandes à côtes parallèles mm

20  1

80

120

140

12.5  1

50

75

87.5

Les normes d’essai définissent les tolérances d’usinage et de forme d’éprouvette 

Expérimentation : On place une éprouvette entre deux mors qui la serre. L’éprouvette est alors

tirée entre les mors et les limites sont données par la machine de traction.

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Principales caractéristiques déterminées par l'essai de traction Avant de citer les principaux principaux caractéristiques qui peuvent être déterminées par l'essai de traction, il est es t bon de rappeler certaines définitions nécessaires        

un instant Allongement :  àentre longueur initiale repèresdonné (L O). de l’essai, accroissement de la Allongement pour cent : allongement exprimé en pourcentage de la longueur initiale entre repères. Charge unitaire : à tout instant de l'essai, le quotient de la charge par l’aire de la section initiale (S0) de l'éprouvette. Charge maximale (Fmax) : la plus grande charge supportée par l’éprouvette au cours de l’essai.

Les principales caractéristiques déterminées déterminées par l’essai de traction sont :    les limites d’élasticité;       

les allongements la résistance à la traction la striction

Selon le matériau, la température et la vitesse de déformation, la courbe peut avoir différentes formes.

Figure : diagramme de traction 8

 

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La figure montre l’enregistrement d’une courbe de traction contrainte en

fonction de la déformation. On peut noter que : La partie OA pratiquement une droite : il y’a proportionnalité entre l’effort les efforts F (ou R) appliqués et les allongements L (ou ε), ces allongements sont temporaires, est supprimée, sa longueur initiale. On dit que si lesFallongements sontl’éprouvette élastiques (ilsreprend sont uniformément répartie dans la longueur de l’éprouvette).  La partie AB : imprécise est qui ne n’existe pas toujours, elle correspond à des glissements interne. C’est une phase de transition entre les

déformations élastiques et les déformations permanentes. La limite d’élasticité se situe dans cette région.   La partie BC : les allongements ne sont plus proportionnels aux efforts appliqués à l’éprouvette. Les allongements cro issent plus vite que les efforts qui les provoquent et ils sont permanents. L’effort maximale enregistré au cours de l’essai est noté F m  (charge maximale en daN) ou Rm(résistance

maximale à la traction en daN/mm²). La partie CD :  à partir de cet instant l’éprouvette s’étrangle, l’allongement se localise sur la section ayant un diamètre (une section) inférieur à celui de l’éprouvette initiale, il y a striction, puis rupture en D.

Remarque : Quand il n'est pas possible de déterminer la limite apparente d'élasticité on définit une limite conventionnelle Rp0,2 correspondant à un allongement relatif e=0,2%.

0,2

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Exploitation des résultats : à partir de la courbe de traction enregistrée, on peut tiret ce qui suit : 1.  La résistance à la traction : elle correspond à la charge maximale que peut supporter l’éprouvette par mm² de la section, elle est notée

 =           ²   2.  La résistance à la limité élastique : c’est la charge par mm² de la section, à la limite apparente d’élasticité, elle est notée

 =           ² 

3.  La résistance à la limite d’allongement rémanent. C’est la contrainte engendrant après suppression de la charge, un allongement permanent de 0.2% de la longueur initiale de l’éprouvette.  Elle est notée R0.2. 4.  Allongement pour cent A% : c’est l’augmentation de longueur prise par l’éprouvette jusqu’à rupture, exprimée par un pourcentage de la

longueur initiale L0  entre repère. Lu  étant la longueur ultime de l’éprouvette à la rupture on a  :    

 % =      100 = ∆   100

5.  Coefficient de striction Z% : c’est la diminution maximale de la surface de la section exprimée en pourcentage de la section initiale S0 . Si Su est la section ultime de l’éprouvette à la rupture, on a  :

%=      100 = ∆   100 

6.  Module d’élasticité longitudinal (module de Young)  : en répétant l’essai de traction sur des éprouvettes d’un même matériau dont on

fait varier la longueur L0 et la section S0, on constate que dans la période des déformations élastiques (droite OA), les allongements sont proportionnels aux charges F, aux longueurs L0 et inversement ∆  on proportionnels aux sections S0. Autrement dit, on a   donne à ce coefficient de proportionnalité k le nom de module

=

d’élasticité longitudinal longitudinal E. on a

 =    / ∆   10

 

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Les limites d’élasticité d’élasticité :  : On distingue les limites d'élasticité suivantes :   

Limite apparante  d’élasticité ’élasticité   : Lorsque l’acier presente un effet d’écoulement,plastique, l’essai, un point est atteint, durant sans ou se produitdeune déformation celle-ci continuant accroissement la charge. On distingue   la limile supérieure d'écoulement (ReH)  valeur de la charge unitaire au moment où l’on observe effectivement la première chute de de l’effort. (figure 1)    la limite intérieure d'écoulement (ReL) : la plus faible valeur de la charge unitaire pendant l’écoulement plastique, on négligeant cependant les éventuels phénomènes transitoires. (figure) o

o

2. Essai de dureté : Principe de l’essai de dureté :  :  L’essai de dureté a pour but de déterminer la dureté superficielle des

métaux. Il consiste à enfoncer un pénétrateur, dont les formes et les dimensions varient en fonction du type d’essai, dans le métal à tester. La 11

 

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charge est constante et on mesure la surface ou la profondeur de l’empreinte laissée dans le matériau. L’empreinte sera d’autant plus importante que le matériau sera mou.  L’essai de dureté est relativement économique (pas d’éprouvettes à réaliser). On mesurer la dureté sur lapar pièce elle-même., Cet essai peutàrenseigner sur peut la résistance à l’usure frottement la capacité s’usiner, l’homogénéité du matériau, l’efficacité des traitements thermiques.  A quoi sert l’essai de dureté ? En soudage, les duretés sont mesurées dans

des zones précises : dans la soudure, dans les zones de liaison, les zones thermiquement affectées (ZAT) les métaux de base.

Essai de dureté BRINELL (HB) : Sous une charge F, le pénétrateur, qui est une bille d’acier (HBS) ou de carbure de tungstène  (HBW), fait une empreinte de diamètre d  dans le matériau testé. Cet essai convient pour des épaisseurs supérieures à 10mm et les produits plats. La charge F est maintenue 15 secondes. La dureté BRINELL se mesure selon la formule suivante : HB   ,    (−  − 

=

F = Charge d’essai en Newton 

D= Diamètre de la bille en mm d = Diamètre de l’empreinte mm 

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Essai de dureté ROCKWELL (HR) : L’essai de dureté ROCKWELL consiste à imprimer, en deux temps, dans la

couche superficielle de la pièce à essayer, un pénétrateur qui peut être un cône ou une bille  et mesurer l’accroissement rémanent de la profondeur de pénétration. Cet essai permet une lecture directe mais ne convient pas aux pièces moulées ou à gros grains. Il existe plusieurs essais de dureté ROCKWELL, les plus courants sont l’essai ROCKWELL HRC  (C : cône) et l’essai ROCKWELL HRB (B : bille). La dureté ROKWELL se mesure selon la formule suivante : pour un pénétrateur en bille pour un pénétrateur en cône

HRB = 130 –   e e HRC = 100 –   e e Avec

e =  − 

,

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Essai de dureté VICKERS (HV) : L’essai de dureté VICKERS consiste à imprimer sur la surface de la pièce un

pénétrateur en forme de pyramide droite à base carrée d’angle au sommet de 136° sous une charge F et à mesurer la diagonale d de l’empreinte laissée après suppression de la charge. Cet essai est le plus précis est permet de tester des pièces fines. La surface doit être rectifiée ou polie. La dureté VICKERS se mesure selon la formule suivante s uivante :

HV  avec d= (d1+d2)/2

=   ,8542   

 

3. Essai de résilience : La résilience représente la résistance d’un matériau à la propagation brutale brutale d’une fissure sous l’effet d’un choc. Elle se mesure par l’énergie par unité de section consommée pour la rupture d’une éprouvette, en J/cm2. L’essai  de résilience le plus couramment pratiqué sur les matériaux métalliques métalliq ues est l’essai Charpy, effectué sur un mouton-pendule qui brise en flexion (3-points) une éprouvette prismatique à entaille en U ou en V. L’altitude de remontée du pendule, comparée à son altitude de départ, permet de chiffrer facilement l’énergie absorbée lors de la rupture. 14

 

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Figure : schéma d’un Mouton-pendule de Charpy Expérimentation : un marteau de masse m est fixé à l’extrémité d’un pendule. Ce pendule peut tourner dans un plan vertical autour d’un axe horizontal. L’éprouvette normalisée repose sur un support et se trouve au point le plus

bas sur la trajectoire marteau. Onfrapper lâche à l’éprouvette, partir de la position h0 le marteau, quand le du pendule vient il a uneinitiale énergie cinétique égale à mgh0. Après rupture, le marteau remonte. Dans son point culminant (supérieur) h1, l’énergie cinétique résiduelle est égale à mgh1. L’énergie W dépensée pour rompre l’éprouvette vaut alors W = mg (h0- h1) [J ou N.m] Eprouvette de résilience : L’effet des dimensions de l’éprouvette ainsi que la forme de l’entaille sur l’énergie de rupture est très importante. La figure suivante montre les

dimensions des éprouvettes normalisées, de longueur de 55mm et une section de d’entaille. 10X10 mm², mais se distinguent dans leur forme et leur profondeur

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Avec une entaille soit en V (de profondeur de 2mm) soit une entaille en U (de profondeur de 5mm). A partir des énergies et des dimensions de la surface cisaillée SC (rupture), KC la résilience s’écrit :

KC = W/SC = mg (h0 – h1)/SC 

[J/Cm²ou N.m/Cm²]

4. Essais de fatigue Définition L’expérience montre que, si l’amplitude et le nombre de sollicitations

périodiques sont suffisants, il en résulte une fissuration progressive puis une rupture par fatigue. Généralement, Généralement, celle-ci se produit brutalement, sans allongement précurseur, et la cassure présente deux zones distinctes : une zone lisse, qui est la cassure de fatigue proprement dite, sur laquelle on

peut observer observer des lignes lignes d’arrêt arrêt successives, successives, eett une zone

d’arrachement, à nerf ou à grain, qui correspond à la rupture finale

instantanée. Cette rupture peut survenir pour des contraintes appliquées bien inférieures inférieures à la charge de rupture statique et même à la limite d’élasticité apparente.  Si le terme fatigue a été consacré par l’usage pour désigner la cause de cette défaillance en service, on a appelé endurance l’aptitude à résister à

la fatigue. Objet des essais de fatigue L’objet des essais de fatigue est de déterminer le comportement d’éprouvettes de métal, de pièces ou d’ensembles mécaniques, sous des 16

 

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sollicitations de contraintes périodiques, analogues à celles qui se produisent dans la pratique lors des sollicitations de service. Les essais sur pièces ou structures mécaniques correspondent généralement à l’un des trois objectifs :   

vérifier la conformité d’un produit à une norme ou à un cahier des

charges ;  

valider ou optimiser un nouveau produit ;

 

rechercher des solutions constructives à la suite de l’avarie d’un

composant en service. Dans les trois cas, il s’agit, le plus souvent, de contrôler que la pièce ou la

structure peut subir sans fissuration ni rupture un nombre de cycles fixé, d’amplitude de contrainte donnée.  La difficulté de la mise en œuvre des essais correspondant à ces trois cas,

concerne :  

le mode de sollicitation : points d’application et direction des efforts

ou des déplacements ;  

le niveau de l’amplitude de sollicitation qui doit être représentatif

des sollicitations rencontrées en service. De leur côté, les essais sur éprouvettes correspondent :  

à optimiser un mode de fabrication : la difficulté réside dans ce cas à reproduire sur une éprouvette, généralement de petite dimension, l’effet réaliste des conditions de fabrication ; 

 

à valider valider de nouvelles solutions technologiques ; c’est le cas, en particulier, des assemblages assemblages pour lesquels l’effet d’échelle peut

 jouer un rôle essentiel sur les résultats ;  

à déterminer des propriétés de base en fatigue ; dans ce cas, 17

 

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des conditions standard de mise en œuvre des éprouvettes sont à

préciser.

Classification des essais de fatigue On peut distinguer deux grandes catégories d’essais de fatigue : les

essais sous amplitude de charge charge constante constante et les les essais sous amplitude de charge variable ou à programme programme de

charge tendant tendant à simuler les

sollicitations en service.  

Dans le cas sous amplitude amplitude de charge constante, on peut distinguer distinguer les essais d’enduranc d’endurance, e, cherchant à déterminer la

limite de

fatigue ou la durée de vie à rupture, des essais de fissuration, cherchant à mesurer la vitesse de propagation des fissures de fatigue. On peut également distinguer le domaine de l’endurance ou

des grandes durées de vie, ou fatigue vibratoire, du domaine de la fatigue oligocyclique, correspondant à des nombres nombres de de cycles à rupture, faibles faibles ppar ar suite d’une d’une déformation déformation plastique généralisée ou localisée (entaille) de la pièce ou de l’éprouvette (fatigue plastique

).  

Par ailleurs, ailleurs, on peut distinguer distinguer les essais à charge charge imposée, imposée, comme comme par exemple les essais de flexion rotative sur éprouvette cantilever où la charge est appliquée par un poids, des essais à déplacement imposé, comme par exemple les essais de flexion plane d’une éprouvette à l’aid l’aidee d’une bielle et d’un excentrique. En général les

essais de fatigue à grand nombre de cycles sont des essais à charge imposée, tandis que les essais de fatigue plastique sont des essais à déformation imposée, la machine étant asservie à la mesure 18

 

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de

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la déformation cyclique de

l’éprouvette par

un

extensomètre.

Classification des modes de sollicitation On peut classer, pratiquement, les sollicitations cycliques selon la nature des efforts exercés par

machines sur

les

pièces ou

les

éprouvettes. On distingue ainsi :  

les essais de flexion plane où toutes les fibres à la même distance de de la fibre neutre sont simultanément dans le même état de traction ou de compression ;

 

les essais de flexion rotative où toutes les fibres (sauf la fibre neutre) sont successivement tendues puis comprimées, la valeur de la contrainte exercée sur sur chaque fibre variant linéairement, dans dans le domaine élastique, avec avec sa distance à la surface où la fibre fibre externe externe supporte la contrainte maximale ;

 

les essais sous efforts axiaux, traction ou compression, ou, en l’absence de discontinuité géométrique, la con contrainte trainte est con constante stante

dans toute section droite ;  

les essais de torsion ;

 

les

essais sous contraintes combinées, statiques et

cycliques,

torsion et flexion, traction et torsion, etc. Des machines d’essais de types différents permettent d’effectu d’effectuer er ces

divers essais : machines de flexion, de flexion rotative, de torsion, pulsateurs, etc.

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Éprouvettes d’essais  d’essais  Le choix de l’éprouvette dépend du but recherché :    

la recherche de l’influence de la mise en forme du matériau lors de la fabrication d’un produit nécessite, soit de reproduire, à la surface

des éprouvettes, les conditions thermomécaniques les plus proches possibles de celles subies par le produit, soit de prélever les éprouvettes dans le produit lui-même, en faisant en sorte de ne pas modifier l’état de surface (rugosité, écrouissage, contraintes

résiduelles) induit par les conditions de fabrication de celui-ci ;  

la connaissance de l’effet d’un traitement de surface appliqué à un

composant requiert aussi de traiter les éprouvettes dans des conditions de similitude adaptées. Dans ce cas, en particulier, les dimensions des éprouvettes doive nt être telles qu’elles permettent d’obtenir un champ de contraintes résiduelles comparable à celui du

composant réel ;  

l’obtention des caractéristiques de

résistance à la fatigue du

matériau, dans un état microstructural donné, conduit par contre, à réaliser l’éprouvette dans ddes es conditions conditions les plus neutres possibles possibles,, c’est-à-dire qui n’engendren n’engendrentt pas un état de surface modifiant les

propriétés recherchées. Le choix de l’éprouvette d’essais dépend de l’essai que l’on veut

effectuer et de la machine dont on dispose.

Forme  On

distingue les

éprouvettes parallélépipédiques parallélépipédiques (figures 1a

et b ), d’épaisseur constante et à section soit constante, soit variable, des éprouvettes axisymétriques à section circulaire (figures 2a et b ) soit 20

 

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cylindriques à section constante, soit toroïdales à section section variable. variable. Ce Ce dernier modèle est d’u d’utilisation tilisation la plus générale et de ce fait fait conseillé quand d’autres d’autres conditions conditions n’imposent n’imposent pas pas le choix d’une d’une autre ééprouvette prouvette

(minimum de matière, facilité d’usinage et de finition, élimination du flambement, évacuation de la chaleur, localisation de la rupture, etc.). Dans tous les

cas, on

distingue les

éprouvettes lisses des

éprouvettes entaillées.

Dimensions Elles dépendent de la capacité de la machine (charge d’essai maximale,

sur les machines modernes, au moins 10 % de la capacité de la machine) et de ses caractéristiques (fréquence propre de l’éprouvette supérieure à deux fois la fréquence d’essai).

Les dimensions conseillées des éprouvettes pour essais de fatigue et les tolérances d’usinage admises sont précisées dans les normes françaises

A03-401, A 03-402 et A 03-403.

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Diagrammes d’endurance  d’endurance  Courbe contrainte-nombre de cycles à rupture (courbe de Wöhler) L’essai de fatigue le plus simple consiste à soumettre chaque éprouvette à des cycles d’efforts périodiques, d’amplitude maximale et de fréquence

constantes, et à noter le nombre de cycles N r au bout duquel la rupture se produit. On reporte ce nombre N r, en général sur une échelle logarithmique, en fonction de la contrainte maximale des cycles. À chaque éprouvette correspond un point du plan ( , N) et, à partir d’un lot d’éprouvettes  

soumises à des contraintes maximales différentes, on obtient une courbe qui a l’allure de celle représentée sur la figure 4. Sur cette courbe, connue sous les noms de courbe de Wöhler et courbe S-N (Stress-Number of cycles ), on peut distinguer trois domaines :  

I zone de fatigue plastique oligocyclique, sous forte contrainte ; la rupture survient après un très petit nombre d’alternances et est   précédée d’une déformation plastique notable ; 

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Cours essais Mécaniques Par TRIAA Salim

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année universitaire 2014/2015

II zone de fatigue ou d’endurance limitée, où la rupture est atteinte après un nombre limité de cycles, nombre qui qu i croît quand la contrainte décroît ;

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III zone d’endurance illimitée ou zone de sécurité, sous faible   contrainte, pour laquelle la rupture ne se produit pas avant un nombre NF donné de cycles : 10 7, 3 × 107 et même 108 ou 109, supérieur à la durée de vie envisagée pour la pièce. Dans de nombreux cas, on peut tracer une branche asymptotique à la

courbe de Wöhler, l’asymptote étant la  limite d’endurance ou  limite de fatigue

D.

Par contre, dans certains cas, il ne semble pas qu’il y ait d’asymptote horizontale : c’est par exemple ce qui se produit lorsqu’il y a simultanément fatigue et corrosion.

Figure : Diagramme d’endurance et courbe de Wöhler  Wöhler 

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