LA MECANIQUE LINEAIRE DE LA RUPTURE
APPROCHE DE LA MECANIQUE LINEAIRE DE LA RUPTURE
La rupture dรฉsigne la sรฉparation dโun corps en plusieurs parties sous lโaction dโune contrainte de nature statique, cโest-ร -dire quโelle est constante ou quโelle varie peu avec le temps. Il peut sโagir dโune contrainte de traction, de compression, de cisaillement ou de torsion. Les deux modes de rupture des matรฉriaux ร usage industriel sont la rupture ductile et la rupture fragile. Une telle classification repose sur la capacite dโun materiau a subir une deformation plastique. Le comportement lie au rapport entre la contrainte de traction et la dรฉformation ร ces deux types de rupture est illustrรฉ dans la figure 2.
La rupture fragile est rapide, survient sans dรฉformation notable et par une รฉnergie dโabsorption faible. La direction de cette propagation est presque perpendiculaire a la direction de la contrainte de traction appliquรฉe et il en rรฉsulte une surface de rupture relativement unie. Les surfaces de rupture fragile dโun materiau possedent des caractรฉristiques qui leur sont propres et sont exemptes de toute trace de dรฉformation plastique. La rupture ductile se caractรฉrise par une vaste dรฉformation plastique situรฉe ร proximite dโune fissure qui se propage. Elle se deroule assez lentement, a mesure que sโallonge la fissure. Une telle fissure est dite stable, cโest-ร -dire quโelle resiste a tout allongement ne resultant pas dโun accroissement de la contrainte appliquรฉe. La rupture ductile est presque toujours un moindre mal, contrairement ร la rupture fragile qui a un caractรจre soudain et brutal, et a des effets imprรฉvus en raison de la propagation spontanee et rapide de la fissure. En revanche, la presence dโune dรฉformation plastique signale lโimminence dโune rupture et rend donc possible lโapplication de mesures preventives.
Stades de fissuration par fatigue
La rupture par fatigue est le phรฉnomรจne de propagation dโune fissure sous chargement variable passant par les 2 stades (amorรงage, propagation stable). La comprรฉhension de ce phรฉnomรจne rรฉside dans lโetude de la vitesse de propagation fissure par fatigue, dans ce carde la mรฉcanique de la rupture ร fortement contribuer ร lโetude de nombreuses lois liant la vitesse de fissuration en fatigue a des parametres caractรฉristiques dรฉterminรฉe analytiquement. Dโune facon generale nous pouvons expliciter une loi semi-thรฉorique ยซ loi de propagation de fissure ยป Si nous considรจre une structure contenant une fissure de longueur (a), et on suit le comportement de cette fissure (la longueur en fonction du nombre de cycles appliquรฉs N) pendant un essai de fissuration, sous un chargement cyclique ร amplitude constant, on constant que cette croissance continue jusquโa la rupture (figure 9). En generale lโexperience nous montre que lโamorcage des fissures resulte de la concentration de dรฉformation plastique qui se produit dans un domaine de dimension finie. Une fois que les fissures se sont amorcรฉes ; elles peuvent se propager sous lโaction de sollicitations. Les trois domaines de fissuration sont schรฉmatisรฉs par la figure 10.
ALLIAGES DโALUMINIUM
Les propriรฉtรฉs mรฉcaniques d’un matรฉriau dรฉcrivent sa rรฉponse aux charges appliquรฉes. Pour de nombreuses applications, il est essentiel de supporter une charge ou de rรฉsister ร un impact sans flรฉchir excessivement ou sans subir de rupture. De ce fait, les propriรฉtรฉs mรฉcaniques reprรฉsentent souvent un coefficient critique dans le choix de matรฉriaux. Lโaluminium et un รฉlรฉment mรฉtallique parmi les mรฉtaux les plus abondant dans la croรปte terrestre, trรจs lรฉger avec un poids de 2,7 kg/m3, environ un tiers de celle de l’acier. En modifiant la composition de ses alliages et par divers traitements thermiques et mรฉcaniques, il est utilisรฉ dans diffรฉrent domaine selon la demande exigรฉe. A lโetat naturel, lโaluminium gรฉnรจre un revรชtement protecteur d’oxyde lui permettant de rรฉsister ร la corrosion. Diffรฉrents types de traitements de surface tels que lโanodisation, peinture peuvent encore ameliorer cette propriete. Il est aussi un excellent conducteur de chaleur et d’รฉlectricitรฉ qui est presque deux fois aussi bon que le cuivre. Aussi, il est un bon rรฉflecteur de la lumiรจre visible, ainsi que de la chaleur, est ductile et a un faible point de fusion. Dans un รฉtat fondu, il peut รชtre traitรฉ de diffรฉrentes maniรจres. En outre, le mรฉtal lui-mรชme est non toxique et ne libรจre pas de goรปt ou d’arรดme ce qui le rend idรฉal pour le conditionnement des produits sensibles tels que la nourriture ou les produits pharmaceutiques. Il est recyclable sans dรฉgradation de ses qualitรฉs, รงa re-fonte necessite peu dโenergie, seulement environ 5 pour cent de l’รฉnergie requise pour produire le mรฉtal primaire est nรฉcessaire dans le processus de recyclage.
. COMPORTEMENT PLASTIQUE
La plasticitรฉ est la propriรฉtรฉ qu’ont certains corps de pouvoir subir sans rupture des dรฉformations permanentes irrรฉversibles. Les premiรจres รฉtudes expรฉrimentales concernant le phรฉnomรจne de plasticitรฉ ont รฉtรฉ menรฉes par Tresca. C’est vers 1870 que Saint-Venant et Levy publient la thรฉorie mathรฉmatique de la plasticitรฉ. A partir de ce moment interviennent des noms trรจs connus dans le domaine de la plasticitรฉ: Prandtl, Hencky, Prager, Hill, etc…. Trรจs rapidement on a faire le lien entre la physique des solides et les connaissances expรฉrimentales de la dรฉformation plastique. On suppose gรฉnรฉralement que la dรฉformation plastique est continue, alors qu’il est รฉtabli depuis longtemps qu’au niveau atomique elle se fait par glissement sur des plans visiblement sรฉparรฉs. C’est pourquoi des dรฉveloppements de la thรฉorie des dislocations ont permis de rapprocher la physique des solides et la mรฉcanique des milieux continus. En effet le solide est en rรฉalitรฉ un assemblage de grains cristallins. La dรฉformation plastique peut รชtre due (pour les mรฉtaux) aux dรฉformations permanentes des grains, du moins ร tempรฉrature ordinaire. Ces dรฉformations sont dues principalement ร des glissements dans une direction de rangรฉe atomique suivant des plans parallรจles du rรฉseau cristallin (loi de Schmid).
Effets des contraintes rรฉsiduelles sur la fatigue
Les contraintes rรฉsiduelles jouent un rรดle primordial sur la tenue en fatigue des matรฉriaux. Elles peuvent รชtre considรฉrรฉes comme une contrainte moyenne ou statique superposรฉe ร la contrainte cyclique. Cet effet de la contrainte moyenne se traduit par une diminution de la tenue ร la fatigue lorsque la contrainte moyenne augmente, ce qui se traduit dans les diagrammes de Haigh et de Goodmann (figure 6). Le diagramme de Haigh, donnant la limite dโendurance en fonction de la contrainte moyenne. Cette reprรฉsentation est la plus courante ; On distingue pour le diagramme de Haigh plusieurs formes differentes dโinteraction entre la limite dโendurance et la contrainte moyenne dont les principales sont :
L’effet des contraintes rรฉsiduelles sur la propagation de la fissure de fatigue est dโune grande importance et a รฉtรฉ le centre de beaucoup de recherche et รฉtudes [16- 21].Il y a de nombreuses mรฉthodes pour gรฉnรฉrer des contraintes rรฉsiduelles sous forme de contrainte mรฉcaniques soit par grenaillage, รฉcrouissage, choc de laser, prรฉchargement mรฉcanique et par expansion. Le prรฉchargement mรฉcanique se produit quand une charge de traction simple est appliquรฉe, il entraรฎne une dรฉformation plastique de compression. Un inconvรฉnient de ce processus est que la contrainte rรฉsiduelle n’est pas uniforme autour de la fissure. L’expansion ร froid des trous est une technique employรฉe frรฉquemment par l’industrie aรฉronautique pour amรฉliorer la durรฉe de vie des structures en fatigue au niveau des trous des rivets. Le processus de l’expansion a รฉtรฉ dรฉveloppรฉ par Boeing Company vers la fin des annรฉes 60 [22]. Fatigue Technology Inc. a lancรฉ une mรฉthode efficace admise comme norme pratique aux Etats-Unis [23].
Le processus propose d’augmenter radialement un trou pour crรฉer une zone de contrainte rรฉsiduelle de compression autour dโun trou qui retarde la progression de la fissure sous un chargement cyclique. L’expansion a รฉtรฉ รฉtudiรฉe dans de nombreuses รฉtudes. Beaucoup des solutions analytiques pour le calcul des contraintes rรฉsiduel ont รฉtรฉ dรฉveloppรฉes, mais peu corrobore avec des rรฉsultats expรฉrimentaux [24-27]. Lโintroduction des contraintes rรฉsiduelles par expansion des trous sur les alliages dโaluminium [28] a permis une augmentation significative de la durรฉe de vie et une diminution de la vitesse de propagation comparativement ร un trou non expansรฉ. Lโรฉtude expรฉrimentale et numรฉrique de lโeffet dโexpansion a froid de lโalliage 6005 T5 [29] a montrรฉ que l’augmentation du degrรฉ d’expansion des trous induit une amรฉlioration de la durรฉe de vie (figure. 7). Les contraintes rรฉsiduelles de compressions induites par ce procรฉdรฉ sont le paramรจtre important de cette amรฉlioration que ce soit sur lโinitiation ou la propagation des fissures de fatigue.
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Table des matiรจres
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.INTRODUCTION
II.APPROCHE DE LA MECANIQUE LINEAIRE DE LA RUPTURE
II.1. Rupture fragile et rupture ductile
II.2. Mode de rupture et distribution des contraintes a. Dรฉfinition dโune fissure Modes de ruptures
Distribution des contraintes ร la pointe de la fissure en mode 6
II.3 Endommagement par fatigue
Nature des contraintes appliquรฉes
Types de cycle de contraintes
III. PROPAGATION DES FISSURES DE FATIGUE
III.1. Stades de fissuration par fatigue
III.2 Paramรจtres dโinfluence sur le comportement en fatigue
Paramรจtres dโordre mรฉcanique et gรฉomรฉtrique
Influence de lโenvironnement :
III.3. Modรจles dรฉcrivant la propagation dโune fissure
Loi de Paris
Loi de Forman
Modรจle NASGRO
Alliages dโaluminium
Propriรฉtรฉ de lโaluminium pur
IV.Les diffรฉrents alliages dโaluminium
IV.1 Alliages dโaluminium sans durcissement structural
IV.2 Alliages dโaluminium ร durcissement structural
CHAPITRE II : COMPORTEMENT PLASTIQUE ET CONTRAINTES RESIDUELLES
I.COMPORTEMENT PLASTIQUE
I.1. description du comportement plastique – plasticitรฉ
I.2. La traction uniaxiale
Essai expรฉrimental
Analyse de la courbe de traction
I.3 Dรฉfinitions complรฉmentaires
Ecrouissage-adoucissement
Effet Bauschinger
Restauration
I.4. Principaux critรจres utilises – plasticitรฉ multiaxiale
Forme gรฉnรฉrale d’un critรจre de plasticitรฉ isotrope
Critรจre de Tresca
Critรจre de Von Mises
II.CONTRAINTES RESIDUELLES
II.1. Dรฉfinition contraintes rรฉsiduelles
II.2. Type de contraintes rรฉsiduelles
II.3. Origines des contraintes rรฉsiduelles
II.4. Effets des contraintes rรฉsiduelles sur la fatigue
CHAPITRE III : GENERATION DES CONTRAINTES RESIDUELLES
I.GENERATION DES CONTRAINTES RESIDUELLES
I.1. Gรฉomรฉtrie de lโรฉprouvette et maillage de lโรฉprouvette
I.2. Matรฉriau dโรฉtude
I.3. Sรฉquences de chargements appliquรฉs pour gรฉnรฉrer un champ de contraintes
II.CONTRAINTES RESIDUELLES ET NIVEAU DE PRECHARGEMENT
II.1. Distribution des contraintes pour lโalliage dโaluminium 2024 T351
II.2 Distribution des contraintes pour lโalliage dโaluminium 6061 T6
II.3 Distribution des contraintes pour lโalliage dโaluminium 7075 T6
CHAPITRE IV : RESULTATS ET DISCUSSION
I.SIMULATION DE LA PROPAGATION DES FISSURES DE FATIGUE
I.1. Prรฉsentation du code AFGROW
I.2 Gรฉomรฉtrie et paramรจtres de chargement
II.RESULTATS ET DISCUSSION
II.1 Comportement en fatigue de lโalliage dโaluminium 2024 T351
a- Effet de lโamplitude de chargement
b- Effet du niveau de prรฉchargement sur la propagation des fissures
II.2 Comportement en fatigue de lโalliage dโaluminium 6061 T6
a- Effet du niveau de prรฉchargement sur la durรฉe de vie en fatigue
b- Effet du niveau de prรฉchargement sur la propagation des fissures
II.3 Comportement en fatigue de lโalliage dโaluminium 7075 T6
a- Effet du niveau de prรฉchargement sur la durรฉe de vie en fatigue
b- Effet du niveau de prรฉchargement sur la propagation des fissures
CONCLUSION & PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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