Phénomène de fatigue dans la conception des structures industrielles en acier – Partie 1

La résistance peut se définir comme étant la limite d’élasticité en traction, F_y, qui correspond au seuil auquel le comportement plastique débute avec un écoulement plastique sans restriction. La résistance peut également être caractérisée comme la résistance à la traction, F_U, qui est obtenue après la limite d’élasticité et un comportement plastique notable. Cette augmentation de résistance est associée à un comportement plastique (en raison de l’écrouissage), jusqu’à ce que la résistance à la traction soit atteinte (Fig. 1).

Les caractéristiques les plus importantes de l’acier représentées sur les courbes contrainte-déformation sont le module d’élasticité (longitudinale) (pente linéaire de la section initiale de la courbe jusqu’à la limite d’élasticité) et l’existence d’une limite d’élasticité et d’un comportement plastique, accompagnés d’un écoulement sans restriction donné et d’un écrouissage, jusqu’à ce que la contrainte ultime soit atteinte. Ce comportement se manifeste dans un élément structural soumis à des conditions de charge habituelles. La conception de nombreux bâtiments industriels exige que l’on prenne en compte d’autres critères de défaillance. Ces critères peuvent varier selon les propriétés des matériaux et les conditions de charge. La fatigue, le fluage, l’incidence de la vitesse de déformation et la température de calcul comptent parmi les quelques autres modes de défaillance qu’il convient éventuellement de prendre en considération lorsque l’on conçoit la structure de certains bâtiments industriels.

La fatigue est un processus au cours duquel les détériorations s’accumulent en raison de l’application répétée de charges qui peuvent être inférieures à la limite élastique. La fatigue marque l’amorce et la propagation de fissures microscopiques en macro fissures par l’application répétée de contraintes. Tous les matériaux structurels en acier présentent des discontinuités métallurgiques ou de fabrication, et la plupart contiennent également des concentrations de contraintes sévères.

La fatigue apparaît sous la forme d’un défaut interne ou de surface où les contraintes se concentrent, et elle consiste, au départ, en un écoulement de cisaillement le long des plans de glissement. Après un certain nombre de cycles, ce glissement induit des intrusions et des extrusions qui commencent à s’apparenter à une fissure. Une fissure avérée, orientée vers l’intérieur à partir d’une zone d’intrusion, peut se propager, initialement, le long de l’un des plans de glissement d’origine et finir par changer de direction pour se propager transversalement à la contrainte normale principale, jusqu’à ce que l’on constate une cassure soudaine de la section transversale restante (Fig. 2 à 4). Il se peut que le phénomène pose problème, car une seule application de la charge ne donnerait lieu à aucun signe de défaut, et une analyse classique des contraintes pourrait conduire à une hypothèse de sécurité qui n’existe pas.

La durée de vie en fatigue d’un élément de structure correspond à la quantité de contraintes que cet élément peut supporter avant que des signes de défaillance n’apparaissent. Voici certains paramètres ayant une incidence sur la durée de vie en fatigue :

La fatigue des matériaux soumis à des charges cycliques dépend non seulement du niveau de contrainte maximal exercé, mais aussi de l’étendue de variation des contraintes appliquées. De manière générale, plus l’étendue et les contraintes maximales sont élevées, plus les détériorations subies sont importantes. La méthode acceptée est la contrainte maximale et la valeur R, ce qui correspond à un niveau de contrainte compris entre la valeur minimale et maximale (Fig. 5 à 8). Habituellement, les cinq états associés à la valeur R peuvent varier de +1 à -1 :

1. Les contraintes sont entièrement alternées : R = -1
2. Les contraintes sont partiellement alternées : R se situe entre -1 et zéro
3. La contrainte appliquée varie entre une contrainte maximale et une charge nulle; le rapport de contrainte R devient nul.
4. La contrainte appliquée varie entre deux contraintes de traction; le rapport de contrainte R devient un chiffre positif inférieur à 1.
5. Un rapport de contrainte R de 1 signifie qu’il n’y a aucune variation dans la contrainte, et l’essai devient un essai de fluage sous charge plutôt qu’un essai de fatigue.

L’effet géométrique est souvent prépondérant. Il dépend du gradient de contrainte dans la direction de propagation de la fissure. Dans une plaque épaisse, le pic de contrainte non linéaire apparaît dans une couche de surface relativement profonde, ce qui donne lieu à une propagation de la fissure plus rapide et à une durée de vie en fatigue plus courte que dans le cas d’une plaque plus mince. En plus, plus l’étendue des travaux de soudage est importante, plus le risque d’introduire des défauts majeurs dans des soudures est élevé.

La microstructure des métaux peut avoir une incidence sur la durée de vie en fatigue d’un élément de structure. Les microstructures complexes des charpentes métalliques et des alliages techniques donnent lieu à la présence d’un certain nombre de zones potentielles où des mécanismes concurrents d’amorce de fissure par fatigue peuvent se manifester.

Il a été démontré que les températures de service atteignant -50 °C n’ont pas de répercussions défavorables sur la tenue en fatigue de l’acier. La résistance à la fatigue aux basses températures augmente légèrement en raison d’une augmentation de la résistance à la traction du matériau. En revanche, dans le cas d’une rupture fragile, les basses températures réduisent la durée de vie en fatigue de l’élément de structure. La résistance à la fatigue diminue également à des températures supérieures à 300 °C en raison d’un phénomène de fluage. Le facteur de réduction applicable aux températures supérieures à 100 °C – phénomène de fluage non pris en compte – peut s’écrire de la manière suivante :

R_T=1.0376 -0.2239.10^-3 T -1.372.10^-6 T^{2 [2]}

Où « T » correspond à la température ambiante.

Comme vous pouvez le constater, de nombreux paramètres peuvent exercer une influence sur la durée de vie en fatigue. Cette première partie n’en mentionne que quelques-uns; ne manquez pas la partie 2 de cet article de blogue, où nous allons continuer à énumérer d’autres sources potentielles de fatigue structurale ainsi que quelques stratégies à appliquer. Nos ingénieur·e·s sont là pour vous aider. N’hésitez donc pas à communiquer avec nous si vous avez besoin de renseignements supplémentaires ou d’aide pour régler tout problème concernant vos composants de structure.