3. Influence d’une entaille sur la durée de vie en fatigue à grand nombre de cycles
3.1.3. Tenue en fatigue
3.1.3.1. Résultats bruts
Les résultats d’essai de fatigue des éprouvettes de référence vont maintenant être présentés. La partie 5.2.1 du Chapitre II a montré que la répartition des contraintes était assez homogène pour considérer que l’amorçage était représenté uniquement par la contrainte à la surface (pour les amorçages sur la surface meulée). Il a aussi été montré que la géométrie choisie induisait un coefficient de concentration de contraintes Kt=1,085. Cette concentration, majoritairement imputable à la réduction de section afin d’avoir des surfaces meulées, sera prise en compte dans toutes les contraintes présentées par la suite.
Ainsi, les différentes contraintes (minimum sur un cycle, maximum sur un cycle, amplitude du chargement, …) peuvent facilement s’exprimer avec la formule ( III.2 )(dans ce cas précis).
# =u%cca5 `é- ∙ \9 ( III.2 )
Le Tableau III-1 présente les résultats d’essai des éprouvettes de référence. Un code couleur illustre le fait que les amorçages observés ont été rejetés ou acceptés (cf partie 3.1.1). La plupart des éprouvettes ont subi plusieurs paliers de chargement, conformément à la méthode par paliers présentée en 2.2. Cette méthode permet d’obtenir par l’équation ( III.1 ) la contrainte à laquelle elle aurait rompu à 5.106 cycles (#,.,;9% 5. 10 ) pour chaque éprouvette ayant subi au moins 2 paliers. Cette valeur est reportée dans le tableau pour les éprouvettes concernées. Elle est exprimée en fonction de la contrainte maximale sur un cycle de sollicitation (comme la contrainte indiquée pour les différents paliers). Nous avons 2 types d’essai dans ce tableau. Les essais à R=0,1 qui possèdent des σD entre 330 et 425 MPa et les essais à R=-1 qui possèdent des σD entre 240 et 300 MPa.
Cette tendance était attendue. En effet, les contraintes moyennes supérieures dans le cas R=0,1 ont tendance à élever le maximum des contrainte vu sur un cycle (et d’abaisser la partie alternée du chargement).
Chapitre III Amorçage et propagation en présence de micro-entailles usinées par meulage
Eprouvette B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12
R 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Nombre de paliers 1 8 3 2 3 1 1 2
N0 5,00E+06 5,00E+06 5,00E+06 5,00E+06 5,00E+06 5,00E+06 5,00E+06 5,00E+06
Chargements 380 294 338 363 362 383 359 340 successifs 316 360 385 384 362 (Contrainte max) 338 382 405 (en MPa) 360 427 381 403 425 447
N au dernier palier 4,96E+05 3,70E+06 3,30E+05 2,81E+05 2,69E+05 3,29E+05 2,16E+05 3,79E+05
Amorçage ZAM ? VRAI TOURNE FRAISE VRAI COIN VRAI VRAI VRAI
σD (max) 441 361 364 407 342
Eprouvette B13 B14 B15 B16 C1 C3 C4
R 0,1 0,1 0,1 -1 -1 -1 -1
Nombre de paliers 2 1 10 2 2 2 7
N0 5,00E+06 5,00E+06 5,00E+06 5,00E+06 5,00E+06 5,00E+06 5,00E+06
Chargements 325 402 315 253 220 253 231 successifs 336 326 272 239 272 242 (Contrainte max) 336 290 257 290 253 (en MPa) 347 264 358 275 369 286 380 308 391 401 412
N au dernier palier 3,92E+06 4,26E+06 5,86E+05 4,98E+05 3,70E+05 2,63E+06 1,10E+06
Amorçage ZAM ? VRAI VRAI VRAI VRAI VRAI VRAI VRAI
σD (max) 334 403 274 240 281 300
Tableau III-1 : Données d'essais des éprouvettes de référence
3.1.3.2. Effet de la contrainte moyenne sur la limite de fatigue
Cette partie commence l’exploitation des données expérimentales sur les éprouvettes de référence. Les essais effectués à 2 rapports de charge différents (R=-1 et R=0,1) permettent de définir une limite d’endurance à 5.106 cycles pour chaque rapport de charge en utilisant la méthode par paliers présentée dans la partie 2.2.Chapitre III Amorçage et propagation en présence de micro-entailles usinées par meulage Pour R=-1, les 4 éprouvettes B16, C1, C3 et C4 sont utilisables pour le calcul de σD. Les amorçages sont situés sur la ZAM (cf 3.1.1.5). On peut donc définir une limite de fatigue moyenne :
#,:;9% 5. 10 = 265 MPa
Il est à noter que cette valeur est calculée sur la valeur alternée du chargement, ce qui revient au même que le maximum pour cette valeur de R.
Pour R=0,1 par contre, la discussion sur le choix des éprouvettes à utiliser est plus complexe. En effet, il y a déjà 4 éprouvettes sur les 11 qui ont cassé au premier palier ce qui les exclues de l’utilisation de la méthode par paliers (B5, B10, B11, B14). De plus, 3 des éprouvettes restantes possèdent des amorçages en dehors des zones meulées (B6, B7 et B9). A priori, elles ne devraient donc pas être étudiées pour obtenir les limites d’endurance. Enfin, 2 éprouvettes (B14 et B15) ont été testées sur une seconde machine qui s’est avéré avoir une erreur de calibration sur les efforts imposés. Ainsi, on sait que les efforts réels étaient moins importants que la consigne. L’erreur était concentrée sur la partie alternée du chargement et était d’environ 6%. L’éprouvette B14 avait déjà été rejetée pour étudier la limite de fatigue du fait qu’elle ait cassé au premier palier mais pas la B15.
Il ne reste donc à priori plus que 3 éprouvettes pour faire la moyenne (B8, B12 et B13). La moyenne sur ces 3 éprouvettes permet de calculer :
#,.,;9% 5. 10 = 156 MPa Cette valeur étant toujours basée sur l’amplitude des contraintes.
La Figure III-20 illustre les différents points expérimentaux obtenus à R=0,1, qu’ils aient été utilisés pour calculer #,.,;9% 5. 10 ou non. On y trouve les derniers paliers de non rupture (donc à 5.106 cycles) pour chaque éprouvette. Les données expérimentales du palier de rupture sont visualisées grâce aux points creux. Les points mis en doute à cause de leurs amorçages ou à cause d’un problème de calibration machine ont été différenciés des autres. Les points où la machine a été mise en cause sont plus haut en contrainte que les autres. Cela va dans le sens de ce qui avait été observé quand la machine a été recalibrée (elle surestimait légèrement les contraintes). Une barre d’erreur a été rajoutée à ces points afin de visualiser l’erreur potentiellement commise du fait de ce problème. Cette barre représente 6% de la valeur en contrainte. Comme on ne devrait baisser de 6% que la valeur dynamique du chargement (et pas la valeur moyenne), le véritable point doit se trouver quelque part sur la barre d’erreur. Bien que celle-ci ramène les points expérimentaux dans une zone cohérente avec les autres points, ils ne seront pas utilisés pour obtenir les limites de fatigue.
Chapitre III Amorçage et propagation en présence de micro-entailles usinées par meulage
Figure III-20 : Résultats des essais sur les éprouvettes de référence R=0,1 Les points expérimentaux des éprouvettes ayant un amorçage hors zone meulée sont aussi globalement plus hauts que les autres. On peut donc se poser la question de la prise en compte de ces points expérimentaux. En effet, si l’amorçage d’une éprouvette se trouve hors de la zone meulée, cela sous-entend que la zone meulée a survécu à l’ensemble de l’essai. Les points expérimentaux avec des amorçages non-conformes pourraient donc être considérés comme des points de non rupture vis-à-vis de la surface meulée. #,.,;9% a aussi été calculé en prenant en compte les amorçages
non-conformes (mais pas les éprouvettes sur la seconde machine). Cela mène à une valeur de 169 MPa ce qui décale la valeur d’environ 10%. Il a été choisi de ne pas inclure ces points dans le calcul de #,.,;9% et la valeur #,.,;9% = 156 MPa a été conservée pour la suite de l’étude.
À retenir
►Les amorçages hors de la zone meulée ont été écartés
►Les facies de ruptures montrent :
►Une fissure semi-elliptique partant de la zone meulée
►Des bandeaux présents sous la surface meulée séparés en 2 parties :
►Une première partie sombre et lisse sans reliefs de fatigue
►Une seconde partie où avec un peu plus de reliefs
►Ces bandeaux sont provoqués par la ZAM (Chapitre II partie 2), ces deux observations ayant en commun : :
►La profondeur affectée (10 à 20 µm)
►La séparation en 2 zones (Z1 et Z2)
►La présence discontinue répartie sur toute la partie meulée
►Les essais mécaniques ont permis de calculer les limites de fatigue à R=-1 et R=0,1 à 5.106 cycles
Chapitre III Amorçage et propagation en présence de micro-entailles usinées par meulage