Brevet FR2944601A1 — publié le 20101022

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des essais de fatigue et elle concerne plus particulièrement une éprouvette élaborée pour de tels essais et permettant de solliciter en fatigue la matière dont elle est faite avec un état de contrainte multiaxiale et un rapport de contrainte négatif. Art antérieur L'étude des comportements des matériaux en fatigue est un domaine d'activité ancien qui pour des raisons de coût met en oeuvre des machines de fatigue essentiellement de type uni-axiale. Il existe aussi des machines plus complexes mettant en oeuvre des éprouvettes spécifiques permettant de réaliser des essais multiaxiaux. Toutefois, ces machines sont fort peu répandues et très onéreuses. Aussi, il a donc été proposé dans la demande de brevet française N°2914420, un nouveau type d'éprouvette de fatigue permettant au moyen d'une simple machine de fatigue uni-axiale de créer des conditions d'une sollicitation bi-axiale au niveau de cette éprouvette. Malheureusement, de part sa structure figée, cette éprouvette présente l'inconvénient de ne permettre des essais de fatigue que pour un rapport de contrainte oy/ox positif et égale à l'unité. Objet et définition de l'invention L'objet de la présente invention est donc de proposer une solution qui permettre de s'affranchir de ce rapport positif et unitaire et donc de permettre de réaliser des éprouvettes de fatigue dont le rapport de contrainte est au contraire négatif et peut être prédéfini à la demande de l'utilisateur. Selon l'invention, il est proposé une éprouvette de fatigue destinée à caractériser le comportement d'un matériau sous l'effet d'une contrainte, caractérisé en ce qu'elle est formée d'un barreau parallélépipédique du matériau considéré dont une partie est usinée pour former une croix dont les deux branches se croisant à 90° au centre géométrique dudit barreau sont inscrites dans un polygone passant par les quatre extrémités desdites branches. Ainsi, en mettant cette éprouvette sous traction, il est possible d'obtenir un champ de contrainte multiaxial aux propriétés souhaitées. De préférence, chaque branche de ladite croix comporte une même longueur déterminée et ledit polygone est un losange comportant quatre cotés et quatre sommets, lesdites quatre extrémités desdites branches se terminant auxdits quatre sommets. Selon le mode de réalisation envisagé, chaque branche de ladite croix peut comporter une largeur différente et chaque coté une même largeur déterminée et différente desdites largeurs de chaque branche de ladite croix. Chaque branche de ladite croix peut aussi comporter une épaisseur différente et chaque coté comporter une même épaisseur déterminée et différente desdites épaisseurs de chaque branche de ladite croix. Toutefois, chacun desdits cotés et chacune desdites branches peut aussi comporter une même épaisseur déterminée correspondant à l'épaisseur du barreau. L'invention concerne aussi un procédé d'élaboration d'une éprouvette de fatigue dans un barreau parallélépipédique du matériau à caractériser comportant une croix dont les deux branches se croisant à 90° au centre géométrique dudit barreau sont inscrites dans un polygone passant par les quatre extrémités desdites branches, procédé comportant les étapes suivantes : . définition d'une géométrie nominale d'éprouvette et paramétrage 30 de cette géométrie nominale en trois dimensions, 3 . génération d'un maillage par un calcul d'éléments finis à partir de la géométrie définie préalablement, . détermination d'un rapport de contrainte (R) audit centre géométrique, . tant qu'un rapport de contrainte souhaité (RV1Sé) n'est pas atteint, incrémentation d'un des paramètres de ladite géométrie d'un pas déterminé et génération d'un nouveau maillage, . une fois ledit rapport de contrainte souhaité (Rvisé) atteint, détermination d'une géométrie finale d'éprouvette. De préférence, ledit rapport de contrainte est choisi entre -0,5 et - 10, ladite incrémentation étant effectuée par pas de 0,1. L'invention concerne également un procédé de détermination du comportement d'un matériau à la fatigue selon deux axes de sollicitation, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre une éprouvette formée dudit matériau à une traction alternée uni-axiale de le sens de sa longueur. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante effectuée à titre indicatif et non limitatif en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un exemple d'une éprouvette de fatigue selon l'invention, la figure 1A est une loupe de la figure 1 au niveau de la zone de sollicitation de fatigue, et - la figure 2 montre les différentes étapes du procédé permettant l'élaboration de l'éprouvette de fatigue de la figure 1. Description de mode (s) de réalisation L'invention se propose de réaliser une éprouvette de fatigue de forme particulière qui mise en traction uni-axiale sur une machine de fatigue uni-axiale permet d'obtenir un champ de contrainte multiaxial aux propriétés souhaitées par son utilisateur. Plus particulièrement, il est proposé un procédé d'élaboration d'éprouvettes de fatigue qui permet d'obtenir sur ces éprouvettes un rapport de contrainte R (contrainte minimale/contrainte maximale ou oy/o)() négatif compris de préférence entre -0,5 et -10. Une éprouvette de fatigue conforme à l'invention est illustrée à la figure 1. Elle est usinée dans un barreau 10 du matériau à tester présentant initialement une forme longitudinale parallélépipédique et une épaisseur déterminée eo. Une fois cet usinage effectué, l'éprouvette se présente sous la forme d'une croix dont les deux branches 12a, 12b et 14a, 14b se croisent à 90° au centre géométrique du barreau et sont inscrites dans un polygone passant par les quatre extrémités de ces deux branches. De préférence, ces deux branches ont même longueur et le polygone est donc un carré dont les quatre cotés 16a, 16b, 16c, 16d sont reliés deux à deux par les quatre sommets formant les quatre extrémités des deux branches de la croix. On notera toutefois que cette configuration en carré n'est aucunement obligatoire et, par exemple, la branche 12a, 12b parallèle à l'axe longitudinal du barreau peut présenter une longueur supérieure à la branche perpendiculaire 14a, 14b de sorte que le polygone reliant les extrémités de ces branches n'est plus un carré proprement dit mais de façon plus général un losange. On peut noter également que si les branches de la croix et les cotés du polygone de l'éprouvette illustrée ont la même épaisseur eo, il est évident que cette condition n'est aucunement indispensable, et selon le comportement recherché, les épaisseurs des branches peuvent être différentes entre elles comme peuvent l'être les largeurs de ces branches. De même, elles peuvent aussi être différentes de celles des cotés dont les largeurs peuvent aussi se distinguer de celles des branches. Au point de croisement de ces deux branches qui est aussi le centre de géométrie du barreau et la zone de sollicitation préférentielle du matériau, l'éprouvette est amincie sur chacune de ses faces, comme l'illustre la loupe de la figure 1A. Ainsi, soit eb l'épaisseur de la branche 12a, 12b et ec l'épaisseur de la branche 14a, 14c, alors l'épaisseur eg dans la zone de sollicitation est inférieure à la plus petite des épaisseurs eb et ec. Des amorces de fissures (non représentées), par exemple de forme semi-elliptique, peuvent être réalisées dans la zone de sollicitation sur une ou les deux faces de l'éprouvette et selon une orientation prédéterminée à définir (angle de l'amorce par rapport à la direction de l'éprouvette) pour réaliser des essais de durée de vie en propagation multiaxiale (versus durée de vie à amorçage comme prévu initialement). En outre, afin d'éviter une rupture au niveau des lignes de jonction aux angles des deux branches, il est prévu avantageusement dans ces coins des zones arrondies réalisées simplement par des perçages 18a, 18b, 18c, 18d. A titre d'exemple non limitatif, on pourra noter qu'une éprouvette conforme à l'invention peut présenter des branches de 150 mm de longueur, de 10 mm de largeur et d'épaisseur et que l'épaisseur eg de la zone de sollicitation peut alors avec ces dimensions être réduite à une épaisseur de 3 mm. La figure 2 illustre les différentes étapes permettant l'élaboration de l'éprouvette de fatigue selon l'invention. La première étape 100 consiste à définir la géométrie nominale de l'éprouvette à réaliser en définissant des contraintes initiales sur les paramètres de cette géométrie, définies de préférence en fonction de la fabrication et nécessaires à l'obtention du rapport de contrainte R, à savoir les épaisseurs ea, eb, ec et les largeurs la, lb, lc. Par exemple, une même épaisseur ea = eb = ec et une même largeur la = lb = le pour les branches et les cotés ou encore une épaisseur des cotés double de celle des branches ea = 2 eb = 2 ec. Une fois ces contraintes et la géométrie nominale en résultant définies, cette géométrie fait l'objet, dans une étape 102, d'un paramétrage 3D puis, dans une étape 104, il lui est appliqué un calcul par éléments finis pour générer un maillage de l'éprouvette préalablement paramétrée. Il est alors procédé dans une étape suivante 106 au calcul du rapport de contrainte R au centre géométrique de l'éprouvette, c'est-à-dire précisément au croisement de ces deux branches dans sa partie amincie. Ensuite, selon le rapport de contrainte souhaité par l'utilisateur Rvisé (résultat du test 108) et tant que le rapport visé n'est pas atteint, il est procédé dans une étape 110 à l'incrémentation du ou des paramètres d'une valeur déterminée (le pas d'incrémentation) et il est fait retour à l'étape 104 pour un nouveau calcul par éléments finis sur la base de cette nouvelle valeur. Lorsque le rapport visé est enfin atteint (réponse oui au test de l'étape 108), la boucle d'optimisation du calcul par éléments finis est arrêtée et la géométrie finale de l'éprouvette en résultant avec ses paramètres finaux est alors délivrée dans une étape finale 112. Le tableau suivant donne des exemples de valeurs de ces paramètres pour des rapports de contraintes de -1 à -4. Les valeurs des paramètres sont des valeurs normalisées par rapport à une épaisseur et une largeur de référence. la lb le ea eb ec Qy/ox 2 1 2 1,49 1 1,49 -1 1 1 1 1,49 1 1,49 -2 1 1 1 1 1 1 -3 1 1 1 0,75 1 1,49 -4 Ainsi, on peut par exemple constater que lorsque l'éprouvette de l'invention présente des épaisseurs et largeurs identiques, on obtient un rapport de contraintes de -3. Bien entendu, les valeurs ne sont données qu'à titre indicatif et le procédé permet d'élaborer de façon simple des éprouvettes avec un rapport de contrainte négatif allant de -0,5 à -10 par pas de 0,1. Une fois réalisée dans le matériau à tester, l'éprouvette selon l'invention peut être sollicitée par une traction alternée dans le sens de sa longueur de façon à créer une sollicitation de fatigue de préférence sur sa partie centrale, laquelle au bout d'un nombre de cycles à déterminer va entrainer des fissures puis une rupture du matériau nécessaire à la connaissance de son comportement en fatigue. REVENDICATIONS1. Eprouvette de fatigue destinée à caractériser le comportement d'un matériau sous l'effet d'une contrainte, caractérisé en ce qu'elle est formée d'un barreau parallélépipédique du matériau considéré dont une partie est usinée pour former une croix dont les deux branches se croisant à 90° au centre géométrique dudit barreau sont inscrites dans un polygone passant par les quatre extrémités desdites branches. 2. Eprouvette de fatigue selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque branche de ladite croix comporte une même longueur déterminée. 3. Eprouvette de fatigue selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que ledit polygone est un losange comportant quatre cotés et quatre sommets, lesdites quatre extrémités desdites branches se terminant auxdits quatre sommets. 4. Eprouvette de fatigue selon la revendication 3, caractérisée en ce que chaque branche de ladite croix comporte une largeur différente. 5. Eprouvette de fatigue selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque coté comporte une même largeur déterminée et différente desdites largeurs de chaque branche de ladite croix. 6. Eprouvette de fatigue selon la revendication 3, caractérisée en ce que chaque branche de ladite croix comporte une épaisseur différente. 7. Eprouvette de fatigue selon la revendication 6, caractérisée en ce que chaque coté comporte une même épaisseur déterminée et différente desdites épaisseurs de chaque branche de ladite croix. 8. Eprouvette de fatigue selon la revendication 3, caractérisée en ce que chacun desdits cotés et chacune desdites branches comporte une même épaisseur déterminée correspondant à l'épaisseur du barreau. 9. Procédé d'élaboration d'une éprouvette de fatigue dans un barreau parallélépipédique du matériau à caractériser comportant unecroix dont les deux branches se croisant à 90° au centre géométrique dudit barreau sont inscrites dans un polygone passant par les quatre extrémités desdites branches, procédé comportant les étapes suivantes : . définition d'une géométrie nominale d'éprouvette et paramétrage de cette géométrie nominale en trois dimensions, . génération d'un maillage par un calcul d'éléments finis à partir de la géométrie définie préalablement, . détermination d'un rapport de contrainte (R) audit centre géométrique, . tant qu'un rapport de contrainte souhaité (RV1Sé) n'est pas atteint, incrémentation d'un des paramètres de ladite géométrie d'un pas déterminé et génération d'un nouveau maillage, . une fois ledit rapport de contrainte souhaité (Rvisé) atteint, détermination d'une géométrie finale d'éprouvette. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit rapport de contrainte est choisi entre -0,5 et -10. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite incrémentation est effectuée par pas de 0,1. 12. Procédé de détermination du comportement d'un matériau à la fatigue selon deux axes de sollicitation, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre une éprouvette formée dudit matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 à une traction alternée uni-axiale de le sens de sa longueur.