Exploration de la fatigue des métaux au-delà du milliard de cycles

par Israël Marines Garcia

Thèse de doctorat en Systèmes physiques et métrologie

Sous la direction de Claude Bathias.

Soutenue en 2004

à Paris, CNAM .


  • Résumé

    Les composants mécaniques, et en particulier ceux des véhicules sont soumis tout au long de leur durée de vie à environ 108-1010 cycles (fatigue gigacyclique), alors que les dimensionnements actuels sont basés sur des données obtenues expérimentalement jusqu’à 107 cycles (fatigue mégacyclique), qui sont les seuls atteignables avec les techniques expérimentales actuelles. Ceci implique l’utilisation de facteurs de sécurité relativement importants pour tenir compte de l’incertitude dans cette extrapolation. La présente étude a permis de mettre au point et fiabiliser une technique d’essai de traction - compression par résonance à 20 kHz et par résonance à 30 kHz permettant d’atteindre expérimentalement 108-1010 cycles et 1011 cycles respectivement. La méthode a été validée en vérifiant la cohérence des résultats obtenus avec la nouvelle méthode et les méthodes classiques dans leur domaine de recoupement (~107 cycles). Cette étude a également généré des données de fatigue gigacyclique sur les principaux matériaux alternatifs utilisés dans la fabrication des principales pièces mécaniques (aciers, fonte, aluminium…), permettant d’établir une première base de données pour un meilleur dimensionnement de ceux-ci. Les résultats obtenus en fatigue gigacyclique montrent que, dans de nombreux cas, il n’existe pas de limite d’endurance à 107 cycles, comme cela est actuellement postulé dans les principaux codes de dimensionnement, qui devraient donc être revus en fonction de ces nouveaux résultats. Une interprétation des résultats en termes de sensibilité du matériau au défaut et hétérogénéité et/ou finesse de la microstructure a été proposée, pour rendre compte de l’ensemble de ces résultats. Finalement, un nouveau prototype d’essais en fatigue à 20 kHz en torsion a été conçu et calculé, ainsi les premiers résultats de fatigue en torsion entre 106 et 1010 cycles sur un acier à matrice biphasée (50% ferrite – 50% perlite) ont été obtenus.

  • Titre traduit

    Fatigue’s exploration of metals beyond the billion cycles


  • Résumé

    Mechanical components, particularly those used in the automotive industry, reach 108 – 1010 cycles during all their lifetime under cyclic loads (gigacycle fatigue), whereas the present designs are based on the results obtained experimentally up to 107 cycles, (megacycle fatigue), which are obtained with the conventional experimental techniques (hydraulic and/or electromagnetic fatigue machines). This implies the use of factors of safety relatively important to take into account the uncertainty from this extrapolation. The present study has allowed the set up of a resonance fatigue technique on traction - compression at 20 and 30 kHz, in order to reach experimentally 108 - 1010 cycles in less than one week and 1011 cycles in around 40 days, respectively. The reliability of the experimental equipment was carried out, in a beginning thanks to the calculation of components key on resonance like; the amplifier of displacement (sonotrode) and specimens. In a second stage the reliability was attained through the test equipment calibration. Accurate automatic control of stress and number of cycles during test. Verification of the absence of other ways of vibration which can generate wrong loads (flexion, torsion, etc. . . . ). In addition a control of temperature during fatigue test was carried out using an equipment of infrared in the zone of maximal stress, where an air jet is applied to limit the temperature a maximum of between 15 and 25°C. Finally, a verification of the mechanical properties (hardness) and microstructure was carried out in the zone of rupture, with the purpose of comparing to original state. The experimental method has been validated verifying the coherence of results obtained with this new method, and classic methods in the common zone within the curves S-N (~107 cycles). This study has also generated information on the gigacycle fatigue of the main alternative materials used in the manufacture of mechanical parts (steel, cast-iron, aluminium), allowing to establish a data base for a better design of these as well as general a scientific point of view on the gigacycle fatigue. The results obtained in gigacycle fatigue show that, in most of the cases it does not exist a fatigue limits at 107 cycles, like, it is postulated in the international standards, which will should reviewed based on these new results. An interpretation of the results in terms of the sensitivity of the material to the defects (inclusions, porosities) and to the heterogeneity and/or size of the microstructure (martensite, bainite, perlite, ferrite, austenite), has been proposed, to help the understanding of related results. In the case of the aluminium alloy, a discussion of the international norm [ASTM 2003/E468-90(1998)] is proposed in order to design components using this alloy based on the mechanisms of crack initiation: (surface and internal). On the other hand, an analysis of the diagram of Kitagawa has been implemented to define the critical size of the defect in the crack initiation on very high cycle fatigue. The model developed by Paul C. Paris concerning the prediction of crack growth life portion from crack initiation until specimen fail “fish-eye” was also used in this study; also the model of Murakami consisting to the prediction the fatigue strength was employed on very high cycle fatigue. On the other hand, an application of the index of Ashby appears to classify the materials in terms of their performance. Finally, a new vibratory fatigue prototype in torsion at 20 kHz has been design, obtaining the first results of fatigue in torsion between 106 and 1010 cycles on a bi-phase steel (50% ferrite - 50% perlite).

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Informations

  • Détails : 2 vol. 427 f. (pagination continue)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.173-178

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