Qu'est-ce que la fatigue mécanique ? Rupture par contrainte cyclique • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et de nombreux autres rotors. Qu'est-ce que la fatigue mécanique ? Rupture par contrainte cyclique • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et de nombreux autres rotors.

Qu'est-ce que la fatigue mécanique ? Rupture par contrainte cyclique

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Comprendre la fatigue mécanique

Définition : Qu'est-ce que la fatigue mécanique ?

Fatigue mécanique (aussi appelée fatigue des matériaux ou simplement fatigue) désigne les dommages structurels progressifs et localisés qui surviennent lorsqu'un matériau est soumis à des cycles répétés de contrainte ou de déformation, même lorsque la contrainte maximale de chaque cycle est bien inférieure à sa résistance à la traction ou à sa limite d'élasticité. La fatigue provoque l'apparition de fissures microscopiques qui se développent sur des milliers, voire des millions de cycles, jusqu'à une rupture complète et soudaine.

La fatigue est le mode de défaillance le plus courant des composants des machines tournantes, notamment les arbres, les engrenages, les roulements, les fixations et les éléments de structure. Elle est particulièrement insidieuse car les défaillances par fatigue surviennent soudainement, à des niveaux de contrainte qui seraient sans danger sous charge statique, et souvent sans avertissement visible. Comprendre la fatigue est essentiel pour une conception et un fonctionnement sûrs des machines.

Le processus de fatigue

Les trois étapes de la défaillance par fatigue

Étape 1 : Amorçage de la fissure

  • Emplacement: S'initie aux concentrations de contraintes (trous, coins, défauts de surface)
  • Mécanisme: La déformation plastique localisée crée des fissures microscopiques (généralement < 0,1 mm)
  • Durée: Peut avoir une durée de vie totale en fatigue de 50 à 90% pour les surfaces lisses
  • Détection: Extrêmement difficile, généralement non détectable en service

Étape 2 : Propagation des fissures

  • Processus : La fissure s'agrandit progressivement à chaque cycle de contrainte
  • Taux: Conforme à la loi de Paris : taux proportionnel au facteur d'intensité de contrainte
  • Apparence: Front de fissure lisse, généralement semi-circulaire ou elliptique
  • Marques de plage : Motifs concentriques montrant les étapes de croissance des fissures (visibles sur la surface de fracture)
  • Durée: Peut-être 10-50% de durée de vie totale

Étape 3 : Fracture finale

  • La fissure se développe jusqu'à atteindre une taille critique où le matériau restant ne peut plus supporter la charge
  • Fracture soudaine et catastrophique de la section transversale restante
  • Surface de fracture rugueuse et irrégulière (contraste avec la zone de fatigue lisse)
  • Se produit généralement sans avertissement pendant le fonctionnement normal

Fatigue dans les machines tournantes

Fatigue de l'arbre

  • Cause: Contraintes de flexion dues déséquilibrer, désalignement, ou charges transversales
  • Cycle de stress : L'arbre rotatif subit une inversion complète à chaque tour
  • Emplacements communs : Rainures de clavette, changements de diamètre, épaulements, ajustements serrés
  • Vie typique : 10⁷ à 10⁹ cycles (années de fonctionnement)
  • Détection: Fissure d'arbre signatures vibratoires (composante 2×)

Fatigue des roulements

  • Mécanisme: Fatigue de contact roulant due aux contraintes hertziennes
  • Résultat: Écaillage de bagues de roulement ou d'éléments roulants
  • L10 Vie : Durée de vie statistique où 10% de roulements tombent en panne (base de conception)
  • Détection: Fréquences de défaut des roulements dans le spectre des vibrations

Fatigue des dents d'engrenage

  • Fatigue en flexion : Les fissures commencent au niveau du filet de la racine de la dent
  • Fatigue de contact : Piqûres et écaillages de surface
  • Cycles: Chaque engagement de maillage est un cycle
  • Échec: Rupture de dent ou détérioration de la surface

Fatigue des fixations

  • Boulons soumis à des charges alternées de vibration
  • Les fissures apparaissent généralement au premier filetage de l'écrou
  • Défaillance soudaine d'un boulon sans avertissement visible
  • Peut entraîner l'effondrement ou la séparation de l'équipement

Fatigue structurelle

  • Cadres, socles, soudures soumis à des charges cycliques
  • Les vibrations créent des contraintes alternées
  • Fissures aux soudures, coins, discontinuités géométriques
  • Défaillance progressive des structures de soutien

Facteurs influençant la fatigue

Amplitude du stress

  • La durée de vie en fatigue diminue de façon exponentielle avec l'amplitude de la contrainte
  • Relation typique : Vie ∝ 1/Stress⁶ à 1/Stress¹⁰
  • De petites réductions du stress prolongent considérablement la vie
  • La minimisation des vibrations prolonge directement la durée de vie des composants en cas de fatigue

Contrainte moyenne

  • Le stress statique (moyen) combiné au stress alternatif affecte la vie
  • Une contrainte moyenne plus élevée réduit la résistance à la fatigue
  • Les composants préchargés ou précontraints sont plus sensibles

Concentrations de stress

  • Les caractéristiques géométriques (trous, coins, rainures) concentrent les contraintes
  • Le facteur de concentration de contrainte (Kt) multiplie la contrainte nominale
  • Les fissures se forment presque toujours à des concentrations de contraintes
  • Conception avec des rayons généreux, évitez les angles vifs

État de surface

  • La finition de surface affecte la résistance à la fatigue (lisse > rugueux)
  • Les défauts de surface (entailles, rayures, piqûres de corrosion) initient des fissures
  • Les traitements de surface (grenaillage, nitruration) améliorent la résistance à la fatigue

Environnement

  • Fatigue par corrosion : Un environnement corrosif accélère la croissance des fissures
  • Température: Les températures élevées réduisent la résistance à la fatigue
  • Fréquence: Des taux de cyclisme très élevés ou très faibles peuvent affecter la vie

Stratégies de prévention

Phase de conception

  • Éliminer ou minimiser les concentrations de contraintes (utiliser des filets généreux)
  • Conception pour des marges de fatigue adéquates (facteurs de sécurité typiques de 2 à 4)
  • Sélectionnez des matériaux avec de bonnes propriétés de fatigue
  • Analyse par éléments finis pour identifier les zones à fortes contraintes
  • Évitez les angles vifs et les trous dans les zones à forte contrainte lorsque cela est possible

Fabrication

  • Améliorer la finition de surface des composants critiques
  • Traitements de surface (grenaillage, cémentation)
  • Traitement thermique approprié pour une résistance optimale à la fatigue
  • Éviter les marques d'usinage perpendiculaires à la direction de la contrainte

Opération

  • Réduire les vibrations : Bon équilibre, l'alignement de précision minimise les contraintes alternées
  • Évitez la surcharge : Fonctionner dans les limites de conception
  • Prévenir la résonance : Évitez de travailler à vitesses critiques
  • Contrôle de la corrosion : Revêtements protecteurs, inhibiteurs de corrosion

Entretien

  • Inspection périodique des fissures (visuelle, méthodes CND)
  • Surveiller les vibrations pour détecter rapidement le développement de fissures
  • Remplacer les composants à la fin de la durée de vie en fatigue calculée
  • Réparer rapidement les dommages de surface (ils peuvent être des sites d'initiation de fissures)

La fatigue mécanique est un mode de défaillance fondamental des machines tournantes, provoquant des pannes soudaines, souvent catastrophiques, dues à des dommages cycliques accumulés. Comprendre les mécanismes de la fatigue, concevoir des machines pour minimiser les contraintes alternées et maintenir de faibles niveaux de vibrations grâce à un équilibrage et un alignement appropriés sont essentiels pour prévenir les défaillances par fatigue et garantir une durée de vie longue et fiable des composants.

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