Essais de fatigue

Les essais de fatigue sont classés en différentes catégories :

• Essais de fatigue à cycle bas selon ISO 12106 et ASTM E606
• Essais de fatigue à cycle élevé selon DIN 50100, ASTM E466-15 ou ISO 1099

L'essai de fatigue à cycle élevé (HCF), également appelé essai S-N, essai de fatigue Woehler ou essai de vibration continue, est un essai de charge cyclique destiné à déterminer le comportement à la fatigue des matériaux et des composants. Le comportement à la fatigue ou la résistance aux vibrations fournit des informations sur la déformation et le comportement à la rupture d'un matériau ou d'un composant sous l'effet d'une charge dynamique oscillante. Les résultats des essais jouent un rôle important pour utiliser des matériaux et des composants dans la pratique. En effet, les charges mécaniques cycliques sont souvent à l'origine de la défaillance des composants. Connaître le comportement à la fatigue permet de tirer des conclusions précises sur la résistance à la fatigue à durée de vie finie et la limite de fatigue d'un matériau ou d'un composant. De même, connaître le comportement à la fatigue des matériaux et des composants permet de s'assurer qu'aucun dommage matériel critique ou qu'aucune défaillance soudaine due à la fatigue ne se produit au cours du cycle de vie du produit final.

Le spécimen est placé dans un banc d'essai et soumis à une charge cyclique (tension, compression, pliage, torsion ou cisaillement) en utilisant généralement une fonction de temps de charge sinusoïdale. Pendant l'essai de fatigue Woehler, la contrainte moyenne reste constante. Les échantillons d'une série d'essais sont alternativement chargés par la déviation de la contrainte (amplitude) de part et d'autre du niveau de contrainte moyen jusqu'à ce qu'un critère de défaillance prédéfini apparaisse, p. ex. :

• L'essai de fatigue à cycle élevé (HCF) se poursuit jusqu'à la rupture de l'échantillon (ou l'apparition d'un critère de rupture clairement défini, p. ex. une fracture ou une fissure).
• Une valeur seuil en nombre de cycles est définie au préalable. L'essai de fatigue à haute fréquence (essai S-N) se termine lorsque le spécimen ou le composant atteint le nombre seuil de cycles de charge sans présenter de critère de défaillance visible. Dans ce cas, le spécimen ou le composant testé est dit résistant à la fatigue.
• Les scientifiques et les ingénieurs d'essai effectuent toujours plusieurs essais de fatigue à cycle élevé (essais S-N) sur des échantillons identiques, l'un après l'autre. L'amplitude de la contrainte d'un échantillon à l'autre est progressivement réduite (méthode de l'escalier) jusqu'à ce que l'événement prédéfini (p. ex., la fracture du spécimen) ne se produise plus ou que le nombre seuil de cycles de charge soit atteint. En général, au moins trois essais sont effectués par amplitude de charge afin de vérifier statistiquement les valeurs.
  

Les résultats de tous les essais d'une série d'essais de fatigue de Woehler sont finalement consignés dans un diagramme : le diagramme de Woehler. Ce diagramme montre la dépendance des amplitudes de contrainte (axe Y) et de leur seuil respectif de cycles de charge (axe X). Il en résulte la courbe de Woehler (synonyme : ligne de Woehler).

Un dispositif de mesure classique pour l'essai de fatigue à cycle élevé est la jauge de déformation, dont la valeur de résistance change lorsque la surface de l'objet est déformée ou comprimée. Les jauges de déformation sont disponibles sur le marché dans une grande variété de matériaux et de formes, de sorte qu'il existe des jauges de déformation adaptées à chaque essai standard. Pour enregistrer la déformation du matériau ou du composant à tester, une ou plusieurs jauges de déformation sont appliquées manuellement sur l'échantillon et reliées à un dispositif d'amplification ou à un système d'acquisition de données (DAQ) par l'intermédiaire de câbles.

Ce qui semble simple s'avère plus complexe dans la pratique : l'application locale de la jauge de déformation représente une intervention physique dans la composition de la surface de l'échantillon. Même si la couche adhésive de la jauge de déformation est très fine, un effet d'entaille locale peut être observé. Les petits défauts de surface qui en résultent peuvent entraîner des fractures indésirables dans la zone de la jauge de déformation, ce qui fausse l'essai. En outre, l'utilisation de jauges de déformation pose un deuxième problème : non seulement le matériau testé se fatigue, mais celui de la jauge de déformation est également soumis à la fatigue. En particulier dans les composites de haute technologie, la fatigue du matériau de la jauge de déformation peut survenir avant la fatigue du matériau à tester. Par conséquent, l'essai de fatigue à cycle élevé (essai de fatigue Woehler) peut devoir être interrompu plus tôt que prévu, c'est-à-dire dès la défaillance de la jauge de déformation.

La métrologie 3D sans contact constitue une alternative ou un complément utile aux jauges de déformation : les systèmes de mesure basés sur des caméras suivent la séquence d'essai en temps réel (dans des configurations multi-capteurs simultanément à partir de différents points de vue) et permettent l'acquisition sans contact des données de mesure. Les valeurs de mesure capturées des déformations et des déplacements 3D fournissent des informations claires sur la déformation du spécimen testé. Les données mesurées sont automatiquement transférées au logiciel de mesure, ce qui permet diverses évaluations, (p. ex. la comparaison des données de mesure avec les données de simulation).

Le système de mesure sans contact 3D ARAMIS enregistre avec une grande précision les coordonnées 3D, les déplacements 3D et les déformations de surface 2D, tant sur l'ensemble de la surface qu'en des points d'intérêt spécifiques. La zone de mesure du système ARAMIS peut être adaptée de manière flexible au spécimen à tester. Qu'il s'agisse d'un petit composant ou d'un design spécial de plusieurs mètres de long, les capteurs ARAMIS couvrent toujours l'ensemble du dispositif d'essai. Contrairement aux jauges de déformation conventionnelles, le système enregistre complètement les données de mesure sans contact. Si nécessaire, l'utilisateur peut également appliquer des jauges de déformation virtuelles au composant via le logiciel ZEISS INSPECT connecté, sans avoir à se soucier à l'avance de l'endroit où la déformation la plus importante se produira. Le logiciel guide l'utilisateur tout au long de la procédure de mesure : de l'acquisition des données de mesure à l'analyse des déformations de surface ou des déplacements 3D ponctuels, jusqu'à la création de rapports de mesure significatifs, faciles à comprendre et à interpréter, même pour les utilisateurs qui n'ont pas d'expérience en matière de métrologie (par exemple les partenaires de coopération ou les clients). L'ampleur de la déformation du spécimen peut être visualisée par une cartographie d'écart couleur, par exemple.