Brevet FR2914420A1 — publié le 20081003

La présente invention concerne une éprouvette pour essais de fatigue dont la structure et surtout la forme est adaptée à rendre compte du comportement d'un matériau soumis à une sollicitation de fatigue selon deux axes. Elle concerne également un procédé mettant en oeuvre cette éprouvette. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION L'étude du comportement des matériaux en fatigue est un domaine exploré depuis de nombreuses années mais principalement par des expérimentations sur des éprouvettes au moyen de machines de fatigue uniaxiales (traction, compression selon un axe, flexion, flexion rotative, ...). Il existe également des machines permettant d'appliquer à une éprouvette des efforts cycliques selon deux axes, afin de faire naître dans ces éprouvettes des contraintes de fatigue biaxiales. Ces machines sont beau-coup moins répandues que les machines uniaxiales. En outre, les éprouvettes qui sont mises en oeuvre dans ces ma-chines sont de taille importante, souvent d'un ordre de grandeur supérieur à celui des éprouvettes de fatigue sollicitées selon un axe. OBJET DE L'INVENTION La connaissance de plus en plus fine du comportement des matériaux demande de pratiquer des essais de plus en plus proches des conditions réelles dans lesquelles ces matériaux sont placés. Il est en particulier utile de connaître le comportement en fatigue d'un matériau soumis à des sollicitations selon deux axes, le matériau à tester étant tiré par exemple d'une pièce ré- elle. Or, aucune machine ni éprouvette ne permet à ce jour de procéder à des essais de ce type. RESUME DE L'INVENTION L'invention entend répondre aux besoins non satisfaits de moyens de mesures et d'essais aisés à mettre en oeuvre. A cet effet l'invention a pour premier objet une éprouvette de fatigue destinée à caractériser le comportement d'un matériau sous l'effet d'une contrainte alter-née biaxiale, remarquable en ce qu'elle est formée d'une plaquette parallélépipédique du matériau à caractériser, avec une longueur, une largeur, et une épaisseur, usinée de manière à présenter une partie médiane en forme de X ou de croix de Saint André dont la partie centrale possède sur chacune de ses faces une cuvette en forme de calotte sphérique. Par cette forme, on parvient, alors que l'éprouvette est sollicitée par exemple en traction dans le sens de sa longueur, à créer des conditions d'une sollicitation biaxiale de la paroi qui forme le fond des deux cuvettes en forme de calottes sphériques. On comprend alors tout l'intérêt d'une telle éprouvette car au moyen d'une machine uniaxiale, c'est-à-dire d'une machine simple, bon marché et surtout présente dans de nombreux laboratoires ou centres d'études, on parvient à créer les conditions de sollicitation d'une pièce selon deux axes dans des conditions de mise en oeuvre beaucoup plus simples qu'avec des machines spéciales telles qu'elles existent actuellement. Dans un mode préféré de réalisation de cette éprouvette, les branches de la croix centrale sont symétriques par rapport à un axe longitudinal de 1.a plaquette et inclinées sur cet axe d'un angle d'environ 30 . - Dans une forme de réalisation qui permet d'optimiser les dimensions de l'éprouvette en fonction du maté- riau que l'on cherche à caractériser et ce par calcul et simulation par éléments finis, de part et d'autre de la cuvette, le bord interne des branches de la croix est formé par le bord d'un évidement en forme de égoutte d'eau dont la pointe est tournée vers la cuvette. En outre, dans la partie centrale la plus étroite, les branches ex-ternes de la croix sont raccordées par un congé. Un second objet de l'invention réside dans un procédé de détermination du comportement d'un matériau à la fatigue, selon deux axes de sollicitation alternés, qui consiste à tirer dudit matériau par usinage une éprouvette conforme à l'une des revendications précédentes, et à la soumettre à une sollicitation alternée uniaxiale dans le sens de sa longueur. Une application particulière de ce procédé consiste à déterminer le comportement d'un organe d'une machine à la fatigue. La forme de l'éprouvette selon l'invention permet de la réaliser dans des dimensions qui autorisent de réaliser une telle éprouvette à partir de l'organe lui-même que l'on cherche à caractériser. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après d'un mode de réalisation d'une éprouvette conforme à l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'une telle éprouvette, - la figure 2 est une vue en perspective d'une demi-éprouvette coupée le long de son plan de symétrie longitudinal. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'éprouvette représentée aux figures est tirée d'une plaquette 1 du matériau à caractériser, de longueur L, de largeur 1 et d'épaisseur e. Cette plaquette est usinée de manière à présenter une partie médiane 2 rétrécie dans le sens de la largeur, présentant ainsi une zone de largeur D qui est la zone du croisement des branches 3a, 3b et 4a, 4b d'une croix de Saint-André ou d'un X taillé dans la plaquette et dont les branches forment un angle d'environ 30 par rapport à l'axe longitudinal de la plaquette. Les bords extérieurs 5a, 5b et. 6a, 6b de cette croix sont réunis par un congé 7a, 7b tandis que les bords intérieurs des branches de la croix et sont constitués par le bord intérieur de deux évidements traversants 8, 9 en forme de goutte d'eau et dont la pointe est tournée vers le centre de cette partie médiane. Au point de croisement des branches, l'éprouvette est creusée sur chacune de ses faces d'une cuvette en forme de calotte sphérique 10, 11 dont les dimensions sont en rapport avec les dimensions générales de l'éprouvette et fonction du matériau mis en oeuvre. Cette forme d'éprouvette permet, lorsque celle-ci est sollicitée par une traction alternée T dans le sens de sa longueur, de créer les conditions d'une sollicitation de fatigue biaxiale sur la paroi qui sépare les deux cuvettes 10 et 11. C'est donc à cet endroit que le matériau présentera les débuts de fissures qui, au bout d'un certain nombre de cycles, apparaîtront nécessairement et permettront de connaître le comportement en fatigue de ce matériau. A titre d'exemples non limitatifs, on mentionnera les dimensions d'une éprouvette réalisée par exemple en alliage d'aluminium tel que celui que l'on trouve pour la fabrication des culasses de moteurs diesels, ou en acier: - longueur L : 100 mm, - largeur 1 : 40 mm, - épaisseur e : 4,5 mm, - largeur D : 11 mm, - rayon des sphères formant les cuvettes 10, 11 : 5 mm, - profondeur de chacune de ces cuvettes : 1,75 mm, - rayon des congés 7a, 7b : 12 mm, -distance entre le centre de la cuvette et chacune des pointes des évidements 8 et 9 : 9 mm, - longueur de chaque évidement 8, 9 : 16,5 mm, -hauteur de la partie de l'éprouvette en X; H : 55 mm, chacun des évidements 8 et 9 étant en fait réalisé à la pointe par une surface cylindrique de rayon r1 = 2 mm, poursuivi par une surface plane P1 d'où est issue une autre surface cylindrique de rayon r2 de 10 mm, elle- même raccordée à une autre surface cylindrique de rayon r3 égal à 4 mm et formant le sommet de chacune de ces ouvertures. On s'est rendu compte lors de l'élaboration du dessin d'une telle éprouvette que les paramètres les plus importants sont constitués par la largeur D de l'éprouvette, la distance séparant le centre de chaque cuvette 10, 11 de la pointe de chaque évidement 8, 9 et le rayon de chacun des congés 7a, 7b. De manière extrêmement intéressante, une telle éprouvette est d'une dimension très inférieure aux éprouvettes habituellement utilisées pour réaliser des essais de fatigue biaxiale. En effet, les plus petites éprouvettes connues à ce jour sont de l'ordre de 500 mm de côté. Ainsi, il est aisé de tirer une éprouvette à tester de l'organe même d'une machine que l'on entend caractériser. De plus l'appareillage à mettre en oeuvre avec cette éprouvette se résume à une machine de fatigue uniaxiale. L'éprouvette et le procédé de l'invention vont permettre d'acquérir de manière très simple une somme considérable de données quant au comportement des matériaux en regard des sollicitations de fatigue biaxiale, données qui font cruellement défaut à ce jour. REVENDICATIONS 1. Eprouvette de fatigue destinée à caractériser le comportement d'un matériau sous l'effet d'une contrainte alternée biaxiale, caractérisée en ce qu'elle est formée d'une plaquette (1) parallélépipédique du matériau considéré, avec une longueur (L), une largeur (1), et une épaisseur (e), usinée de manière à présenter une partie médiane en forme de X ou de croix de Saint André avec des branches (3a, 3b, 4a, 4b) à l'intersection des-quelles l'éprouvette comporte sur chacune de ses faces, une cuvette en forme de calotte sphérique (10, 11). 2. Eprouvette selon la revendication 1, caractérisée en ce que les branches (3a, 3b, 4a, 4b) de la croix centrale sont symétriques par rapport à un axe longitudinal de la plaquette et inclinées sur cet axe d'un angle d'environ 30 . 3. Eprouvette selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que de part et d'autre de la cuvette (10, 11), le bord interne des branches (3a, 3b, 4a, 4b) de la croix est formé par le bord d'un évide-ment (8, 9) en forme de goutte d'eau dont la pointe est tournée vers la cuvette (10, 11). 4. Eprouvette selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que, dans la zone du croise-ment des branches de la croix, leurs bords externes (5a, 5b, 6a, 6b) sont raccordés par un congé (7a, 7b). 5. Eprouvette selon la revendication 4, caractérisée en ce que certaines des dimensions préférées sont : - longueur (L) : 100 mm, - largeur (1) : 40 mm, - épaisseur (e) : 4,5 mm, - largeur (D) au centre : 11 mm, - rayon de chaque sphère formant une cuvette en forme de calotte sphérique (10, 11) : 5 mm,- profondeur de chacune de ces cuvettes en forme de calottes sphériques (10,11) : 1,75 mm, - distance de la pointe de l'évidement (8, 9) au centre de chaque cuvette (10, 11) : 9 mm, - longueur de chaque évidement (8, 9) : 16,5 mm, - rayon du congé extérieur (7a, 7b) : 12 mm. 6. Procédé de détermination du comportement d'un matériau à la fatigue selon deux axes de sollicitation alternés, caractérisé en ce qu'il consiste à tirer dudit matériau par usinage une éprouvette (1) conforme à l'une des revendications précédentes, et à la soumettre à une sollicitation alternée uniaxiale (T) dans le sens de sa longueur. 7. Procédé selon la revendication 6, appliqué à la détermination du comportement à la fatigue d'un organe d'une machine, caractérisé en ce que l'éprouvette est ti- rée directement de l'organe à caractériser.