Brevet FR2897433A1 — publié le 20070817

PROCEDE DE REALISATION D'UNE EPROUVETTE DESTINEE A LA MESURE DES PROPRIETES MECANIQUES DE FATIGUE D'UNE STRUCTURE MECANIQUE, ET EPROUVETTE OBTENUE PAR CE PROCEDE. La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une éprouvette destinée à la mesure des propriétés mécaniques de fatigue du matériau d'une structure mécanique, et une éprouvette obtenue par ce procédé. Elle concerne également un procédé de mesure des propriétés mécaniques de fatigue du matériau constituant une telle structure, lequel procédé utilise des éprouvettes selon la présente invention. Les essais mécaniques de traction, de résilience, de dureté, etc. constituent une étude en statique d'un matériau. On cherche, le plus souvent, à travailler dans le domaine élastique. Un corps soumis à des efforts d'intensité périodiquement variable, de différentes natures, peut se rompre sans déformations par suite d'une fissuration progressive plus ou moins rapide, même si les contraintes restent constamment inférieures à la limite élastique du métal ou de l'alliage en contrainte statique. Le phénomène de fatigue concerne tous les matériaux, en particulier les alliages, et pour des pièces obtenues par différents procédés de fabrication, parmi lesquels, par exemple, le moulage. Bien que l'étude du comportement des matériaux soumis à des sollicitations variables dans le temps soit très complexe, il a été prouvé expérimentalement que ce comportement dépend du type de sollicitation appliquée (axiale, de flexion, de torsion, multiaxiale composée), de ses valeurs maximale et minimale, du nombre des applications de la charge, de la forme, des dimensions, de l'état de surface de la pièce, de son procédé de fabrication, ainsi que de la nature et des propriétés du matériau dont elle est constituée. La limite d'endurance illimitée est la plus grande amplitude de contraintes pour laquelle il n'y a pas rupture après un nombre infini de cycles. La résistance à la fatigue mécanique d'une pièce dépend à la fois du matériau qui la constitue et du procédé de fabrication de celle-ci. Il est bien connu qu'une pièce en acier obtenue par forgeage présente une meilleure résistance à la fatigue mécanique qu'une pièce en acier obtenue par moulage, et qu'une pièce en acier présente une meilleure résistance à la fatigue mécanique qu'une pièce en aluminium, par exemple. Pour caractériser les propriétés de résistance à la fatigue mécanique d'une structure ou d'un alliage fabriqué en un matériau donné et selon un procédé de fabrication donné, on réalise systématiquement des essais de fatigue mécanique sur des éprouvettes de fatigue, réalisées dans le même matériau que celui de la structure étudiée. Les éprouvettes de fatigue sont des pièces dont la géométrie est, en général, assez simple pour laquelle on sait calculer l'état mécanique, à savoir les contraintes et les déformations, sous une sollicitation donnée qu'impose la machine d'essai. Un exemple d'éprouvette bien connue est l'éprouvette cylindrique soumise à un effort axial de traction répété à ses deux extrémités. Plusieurs essais sont pratiqués à des niveaux de charge variable, et on trace la courbe de Wôhler de résistance à la fatigue mécanique en traction uniaxiale du couple matériau procédé ayant servi à fabriquer l'éprouvette. D'autres caractéristiques du couple matériau et procédé de fabrication peuvent être mesurées, comme la résistance au cisaillement par exemple, avec d'autres géométries d'éprouvette. Ainsi, la géométrie de l'éprouvette est imposée par le type d'essai que l'on met en oeuvre, c'est-à-dire par la propriété mécanique que l'on cherche à mesurer. La Demanderesse est parvenue au résultat que le critère de fatigue mécanique le plus performant est un critère de fatigue multiaxial, dit également critère de Dang Van, qui est capable de prédire la valeur de la limite d'endurance quelque soit le type de sollicitation locale : traction compression alternée, cisaillement répété, ou tout autre état de contrainte multiaxial. Le critère dit de Dang Van est reconnu être le plus performant, en particulier par l'article de I. Papadopoulos et al, International Journal of Fatigue, vol. 19, No. 3, pp. 219-235, 1997. Les organes des machines, les charpentes métalliques, etc. subissent le plus souvent des sollicitations complexes, multiaxiales et simultanées, que l'on désigne également sollicitations composées. Toutefois, pour obtenir une sollicitation multiaxiale sur une machine de traction simple, il faut une géométrie particulière d'éprouvette relativement mince et plate avec une section réduite en un point de la longueur. Et une telle géométrie particulière est le plus souvent impossible à obtenir par le procédé de fabrication de la pièce finale dont on cherche à mesurer la résistance mécanique à la fatigue. C'est le cas, en particulier, pour le procédé de fabrication par moulage au sable. Du fait de l'état de surface obtenu, la fabrication par moulage au sable produit des pièces ou éprouvettes qui ont une résistance à la fatigue mécanique très différente de celle du matériau de base. Ainsi, pour mesurer la résistance à la fatigue mécanique sous sollicitation biaxiale, par exemple, d'une pièce en alliage de métaux obtenue par un procédé de moulage au sable, il faudrait utiliser une éprouvette mince, obtenue par le même procédé de moulage au sable. C'est une difficulté importante rencontrée dans la technique que certains procédés de fabrication ne permettent pas de réaliser une éprouvette d'essai dans le même procédé sous forme d'une pièce mince, en particulier de 1 ou quelques millimètres d'épaisseur dans ladite section réduite et de quelques dizaines de centimètres dans les autres dimensions, comme cela est imposé par les essais sous contrainte multiaxiale cités précédemment. Le but de la présente invention est de surmonter cette difficulté en mettant en oeuvre un nouveau procédé de réalisation d'une éprouvette destinée à la mesure des propriétés mécaniques de fatigue sous sollicitation multiaxiale d'une structure mécanique, qui permette de réaliser des essais de résistance à la fatigue mécanique sous des sollicitations multiaxiales en utilisant des éprouvettes minces réalisées dans le même matériau que ladite structure mécanique, lequel matériau pouvant être un alliage. Un autre but de la présente invention est de réaliser une nouvelle éprouvette destinée à la mesure des propriétés mécaniques de fatigue sous sollicitation multiaxiale d'une structure mécanique obtenue par un procédé de fabrication donné, qui permette de s'affranchir des contraintes mentionnées précédemment pour le procédé de moulage sur la géométrie de la zone utile de l'éprouvette, cette géométrie de la zone utile de l'éprouvette conditionnant l'état de sollicitation mécanique de la structure testée. Un autre but de la présente invention est de réaliser une éprouvette destinée à la mesure des propriétés mécaniques de fatigue sous sollicitation multiaxiale d'une structure mécanique en un matériau donné, qui soit moins chère que les éprouvettes d'essais actuellement utilisées. C'est encore un autre but de l'invention de réaliser une éprouvette destinée à des essais de mesure des propriétés mécaniques de fatigue sous sollicitation multiaxiale d'une structure mécanique en un matériau donné, qui permette une simplification des procédures d'essais. Pour atteindre ces buts, et d'autres qui apparaîtront dans la suite du texte, l'invention apporte un nouveau procédé de réalisation d'une éprouvette destinée à la mesure des propriétés mécaniques de fatigue sous sollicitation multiaxiale d'une structure mécanique en un matériau donné et obtenue par un procédé de fabrication dit premier procédé de fabrication, ladite éprouvette étant obtenue à partir dudit matériau et présentant une zone utile de moindre épaisseur, lequel nouveau procédé de réalisation d'une éprouvette comporte les étapes suivantes : - on réalise par ledit premier procédé de fabrication une 5 éprouvette d'épaisseur supérieure à l'éprouvette finale et dont une des deux faces est celle de ladite éprouvette finale, - on réalise au moins une partie de l'autre face, laquelle partie comprenant la zone utile de moindre épaisseur, par un second procédé de fabrication dont les qualités en fatigue mécanique sont 10 meilleures que celles dudit premier procédé, de manière à obtenir une géométrie apte à la sollicitation multiaxiale souhaitée. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention : - on réalise par ledit premier procédé de fabrication une éprouvette d'épaisseur supérieure à l'éprouvette finale et dont une 15 des deux faces est celle de ladite éprouvette finale, et - on réalise l'autre face par ledit second procédé de fabrication de manière à lui conférer une forme identique et symétrique par rapport à ladite face obtenue par ledit premier procédé de fabrication. 20 De préférence, le second procédé de fabrication est un procédé de fabrication par enlèvement de matériau. Selon un premier mode de réalisation, ledit premier procédé de fabrication est un procédé de moulage et le second procédé est un procédé d'usinage. Ledit premier procédé de fabrication peut être un procédé de 5 moulage au sable. En variante, ledit premier procédé de fabrication est un procédé d'usinage et le second procédé est un procédé de polissage. En variante également, ledit premier procédé de fabrication est un procédé de polissage et le second procédé est un procédé de 10 grenaillage. En variante également, ledit premier procédé de fabrication est un procédé d'usinage de type conventionnel et le second procédé est un procédé d'usinage grande vitesse. La présente invention peut être étendue à d'autres couples de 15 procédés de fabrication. Dans tous les cas, à un procédé de fabrication que l'on veut caractériser, on associe un autre procédé de fabrication dont les qualités de résistance à la fatigue mécanique sont meilleures. L'invention fournit également une nouvelle éprouvette destinée à 20 la mesure des propriétés mécaniques de fatigue sous sollicitation multiaxiale d'une structure mécanique en un matériau donné et obtenue par un procédé de fabrication dit premier procédé de fabrication . Une telle éprouvette comprend une zone utile de moindre épaisseur, une face qui est obtenue par ledit premier procédé de fabrication et au moins une partie de l'autre face, laquelle partie comprenant la zone utile de moindre épaisseur, qui est obtenue par un second procédé de fabrication dont les qualités en fatigue mécanique sont meilleures que celles dudit premier procédé. Ladite éprouvette est réalisée dans ledit matériau dont on cherche à mesurer les propriétés mécaniques et par le même procédé de fabrication que la pièce réalisée dans ledit matériau dont on cherche à mesurer les propriétés mécaniques. Selon un mode de réalisation préféré, ledit premier procédé de fabrication est un procédé de moulage au sable, et le second procédé de fabrication un procédé d'usinage. Le terme usinage désigne dans le présent texte tous les moyens mis en oeuvre pour obtenir une pièce ayant des cotes et des tolérances fixées à l'avance à partir d'un élément brut, tel qu'un lingot, ou semi-fini, tel qu'une pièce venue de forge ou de fonderie. La face obtenue par usinage peut présenter une surface polie. De préférence, la zone utile de moindre épaisseur de l'éprouvette 20 est d'épaisseur comprise entre 1 et plusieurs millimètres. L'invention permet d'offrir un nouveau procédé de mesure des propriétés mécaniques de fatigue d'une structure mécanique en un matériau donné et obtenue par un procédé de fabrication donné utilisant des éprouvettes minces, qui comprend les étapes suivantes : - on réalise une éprouvette mince dans ledit matériau donné selon le nouveau procédé de l'invention exposé ci-dessus, - on utilise ladite éprouvette sur une machine d'essai de fatigue sous sollicitation multiaxiale, et - on détermine la courbe de Wôhler du couple matériau -premier procédé de fabrication utilisé pour l'éprouvette. La courbe de Wôhler est un moyen courant cb représentation graphique des résultats des essais de fatigue. Selon cette courbe, est porté en abscisse le nombre de cycles auxquels a été soumise l'éprouvette et en ordonnées les valeurs de l'amplitude de la contrainte. Le nombre de cycles est généralement porté sur une échelle logarithmique. Les contraintes, par contre, sont tracées soit sur échelle logarithmique soit sur échelle linéaire. La courbe de Wôhler permet de déterminer une limite de fatigue. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'exemples de réalisation de l'invention, non limitatifs de la portée de la présente invention, et accompagnée des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un exemple de géométrie classique d'éprouvette de fatigue mécanique sous contrainte multiaxiale, - la figure 2 représente, en coupe transversale, la forme brute de moulage obtenue après la première étape de réalisation de l'éprouvette selon l'invention, sur laquelle on a représenté la partie de l'éprouvette qui sera enlevée par la seconde étape, - la figure 3 représente, en coupe transversale, la forme finie obtenue après la seconde étape de réalisation de l'éprouvette selon l'invention, En référence aux figures 1 à 3, il est décrit un procédé nouveau de réalisation d'une éprouvette, en particulier d'une éprouvette mince, symétrique dans l'épaisseur, destinée à la mesure des propriétés de résistance à la fatigue d'une structure en matériau M ou d'un matériau M obtenu par un procédé de fabrication P, qui est un procédé de moulage dans le présent exemple. Pour cela, cette éprouvette est réalisée dans le même matériau que le matériau M dont on cherche les caractéristiques de résistance à la fatigue mécanique et comporte au moins une partie obtenue selon le même procédé de fabrication P, à savoir dans le cas présent, le même procédé de moulage au sable. Le dessin de la figure 1 illustre un exemple de géométrie d'une telle éprouvette, de référence générale 1, qui permet d'obtenir une sollicitation multiaxiale sur une machine de traction simple. Elle comporte une zone utile 10 de faible épaisseur, qui interdit une fabrication par moulage de la totalité de l'éprouvette. L'invention repose sur deux principes connus de résistance des 25 matériaux. Selon le premier principe, l'état de surface ne modifie pas les sollicitations mécaniques macroscopiques auxquelles est soumis le matériau de l'éprouvette mais dégrade par contre ses propriétés de résistance. Selon le second principe, la résistance à la fatigue mécanique d'une pièce est la résistance à la fatigue mécanique de son point le plus faible. D'autre part, une rupture de fatigue se déroule en trois temps : une première phase de formation d'une fissure (ou microfissure) qui est la germination ou l'amorçage de la fissure, puis une propagation de la fissure et enfin une rupture finale de la pièce. Dans les essais auxquels la présente invention trouve son application, dès qu'une fissure apparaît en un point de la pièce, on considère que la pièce est rompue, donc qu'il y a rupture de fatigue. Le procédé de réalisation de l'éprouvette de fatigue 1, selon la 15 présente invention, est un procédé en deux étapes. Selon la première étape, on réalise une éprouvette épaisse, référencée 2 sur le dessin de la figure 2, par moulage au sable pour l'étude de la résistance à la fatigue mécanique d'une pièce réalisée par moulage au sable (identité entre le procédé de 20 fabrication P de la pièce testée et l'éprouvette de test). Une des surfaces de l'ébauche d'éprouvette 2, référencée a , est celle-là même de l'éprouvette mince 1 finale que l'on cherche à réaliser. Selon la deuxième étape du procédé, on procède par usinage dans le reste de l'éprouvette pour obtenir la géométrie qui est celle de la 25 figure 1. Une partie de l'autre surface, référencée b sur la figure 2, est alors usinée, ladite partie comprenant au moins la région de la zone utile 10, de manière à obtenir l'éprouvette mince 1 représentée sur la figure 3. A la surface a de l'éprouvette finale de la figure 3 est associé le procédé de fabrication P que l'on cherche à caractériser, à savoir le moulage au sable du présent exemple. A la surface c de l'éprouvette finale, est associé un autre procédé de fabrication, à savoir le procédé d'usinage par enlèvement de matière, dont les qualités en résistance à la fatigue sont meilleures, et par conséquent, en vertu du second principe énoncé précédemment, ne modifie pas la résistance à la fatigue mécanique de l'éprouvette 1 puisque le point le plus faible se trouve sur la surface moulée a . Ainsi, l'invention permet de s'affranchir des contraintes du procédé de moulage sur la géométrie de la zone utile de l'éprouvette. C'est un point important car la géométrie de la zone utile conditionne l'état des sollicitations mécaniques du matériau testé. La présente invention peut être étendue à d'autres couples de procédés de fabrication. Au lieu du couple précédemment décrit d'un procédé de moulage au sable et d'un procédé d'usinage, on peut envisager des couples différents : usinage d'une partie de la zone utile et polissage de l'autre partie, polissage et grenaillage, usinage classique et usinage à grande vitesse, etc. Dans tous les cas, à un procédé de fabrication P (appelé aussi premier procédé de fabrication) que l'on veut caractériser, on associe un autre procédé de fabrication (appelé aussi second procédé de fabrication) dont les qualités de résistance à la fatigue mécanique sont meilleures. L'éprouvette 1, réalisée selon le procédé décrit ci-dessus, est utilisée dans un nouveau procédé de mesure des propriétés mécaniques de fatigue d'une structure mécanique en un matériau donné. L'éprouvette 1 est utilisée sur une machine d'essai de fatigue de type connu en soi, selon des procédures connues, publiées, et on détermine la courbe de Wôhler du couple matériau - premier procédé de fabrication employé pour l'éprouvette. Pour de nombreux alliages, la courbe de Wôhler présente une asymptote horizontale qui définit la limite d'endurance. Dans l'exemple précédemment décrit, la surface c ayant été usinée avec soin, elle possède de meilleures propriétés de résistance à la fatigue que la surface a obtenue par moulage. Lors de l'essai de fatigue, une fissure ou microfissure apparaîtra sur la surface moulée a systématiquement avant d'apparaître sur la surface usinée. On mesure bien, par conséquent, sur l'éprouvette 1 les propriétés mécaniques du matériau obtenu selon le procédé de moulage, c'est-à-dire le procédé P que l'on cherche à caractériser. On notera que la présente invention permet de réaliser des 25 éprouvettes moins chères, du fait qu'une seule des deux faces de la zone utile est réalisée ou traitée avec le procédé d'intérêt P que l'on cherche à caractériser, tandis que l'autre face est réalisée selon un procédé industriel maîtrisé. Enfin, l'invention permet de simplifier la procédure d'essai de fatigue. Du fait que l'on sait sur quelle face la fissure de fatigue doit apparaître, il suffit de surveiller la zone d'amorçage sur la face d'intérêt, qui est celle obtenue par le procédé P d'intérêt que l'on cherche à caractériser.10 REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une éprouvette destinée à la mesure des propriétés mécaniques de fatigue sous sollicitation multiaxiale d'une structure mécanique en un matériau (M) donné et obtenue par un premier procédé de fabrication (P), ladite éprouvette (1) étant obtenue à partir dudit matériau (M) donné et présentant une zone utile (10) de moindre épaisseur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - on réalise par ledit premier procédé de fabrication (P) une 10 éprouvette d'épaisseur supérieure (2) à l'éprouvette finale et dont une des deux faces (a) est celle de ladite éprouvette finale (1), - on réalise au moins une partie de l'autre face (c), laquelle partie comprenant la zone utile (10) de moindre épaisseur, par un second procédé de fabrication dont les qualités en fatigue 15 mécanique sont meilleures que celles du premier procédé (P), de manière à obtenir une géométrie apte à la sollicitation multiaxiale souhaitée. 2. Procédé de réalisation d'une éprouvette selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : 20 - on réalise par ledit premier procédé de fabrication (P) une éprouvette d'épaisseur supérieure (2) à l'éprouvette finale et dont une des deux faces (a) est celle de ladite éprouvette finale, - on réalise l'autre face (c) par ledit second procédé de fabrication de manière à lui conférer une forme identique et symétrique par rapport à ladite face (a) obtenue par ledit premier procédé de fabrication (P). 3. Procédé de réalisation d'une éprouvette selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le second procédé de fabrication est un procédé de fabrication par enlèvement de matériau. 4. Procédé de réalisation d'une éprouvette selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit premier procédé de fabrication (P) est un procédé de moulage et le second procédé est un procédé d'usinage. 5. Procédé de réalisation d'une éprouvette selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier procédé de fabrication (P) est un procédé de moulage au sable. 6. Procédé de réalisation d'une éprouvette selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit premier procédé de fabrication (P) est un procédé d'usinage et le second procédé est un procédé de polissage. 7. Procédé de réalisation d'une éprouvette selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit premier procédé de fabrication (P) est un procédé de polissage et le second procédé est un procédé de grenaillage. 8. Procédé de réalisation d'une éprouvette selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit premier procédé de fabrication (P) est un procédé d'usinage de type conventionnel et le second procédé est un procédé d'usinage grande vitesse. 9. Eprouvette destinée à la mesure des propriétés mécaniques de fatigue sous sollicitation multiaxiale d'une structure mécanique en un matériau (M) donné et obtenue par un premier procédé de fabrication (P), ladite éprouvette comprenant une zone utile (10) de moindre épaisseur, caractérisée en ce que l'une des ses faces (a) est obtenue par ledit premier procédé (P), tandis qu'au moins une partie de l'autre face (c), laquelle partie comprenant la zone utile (10) de moindre épaisseur, est obtenue par un second procédé de fabrication dont les qualités en fatigue mécanique sont meilleures que celles dudit premier procédé (P). 10. Eprouvette selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle est réalisée dans ledit matériau (M) dont on cherche à mesurer les 15 propriétés mécaniques. 11. Eprouvette selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle est réalisée par le même procédé de fabrication (P) que h pièce réalisée dans ledit matériau (M) dont on cherche à mesurer les propriétés mécaniques. 20 12. Eprouvette selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que ledit premier procédé de fabrication (P) est un procédé de moulage au sable, et le second procédé de fabrication un procédé d'usinage. 13. Eprouvette selon la revendication 9, caractérisée en ce que la face obtenue par usinage (c) présente une surface polie. 14. Eprouvette selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisée en ce que la zone utile (10) de moindre épaisseur est 5 d'épaisseur comprise entre 1 et plusieurs millimètres. 15. Procédé de mesure des propriétés mécaniques de fatigue d'une pièce en un matériau (M) donné et obtenue selon un procédé de fabrication (P) donné en utilisant des éprouvettes minces (1), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 10 - on réalise une éprouvette mince (1) dans ledit matériau (M) donné selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 8, - on utilise ladite éprouvette (1) sur une machine d'essai de fatigue sous sollicitation multiaxiale, et 15 - on détermine la courbe de WShler du couple matériau (M) - premier procédé de fabrication (P) utilisé pour l'éprouvette (1).