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Essais Low Cycle Fatigue (LCF) d’après ISO 12106 / ASTM E606

Détermination de la résistance à court terme / fatigue à court terme

Low Cycle Fatigue signifie fatigue à faible nombre de cycles.

L’essai Low Cycle Fatigue (LCF) d’après ISO 12106 et ASTM E606 est un essai de fatigue au cours duquel une sollicitation cyclique est simulée jusqu’à la défaillance. L’essai est typiquement réalisé sur une machine d’essai servohydraulique.

Les matériaux soumis à des contraintes thermiques et mécaniques extrêmes sont uniquement conçus pour la plage de résistance à court terme, c'est-à-dire jusqu'à un maximum de 105 changements de charge. Les disques d’aube et disques de turbine des moteurs d'avion de même que les turbines stationnaires pour la production d'électricité sont quelques exemples d’application de l’essai LCF. L’essai LCF est également utilisé pour les turbocompresseurs de gaz d'échappement, les collecteurs d'échappement et d'autres composants. Dans ces composants, la déformation plastique alternée induite par la contrainte se produit au niveau des encoches structurelles, par exemple au niveau de l'articulation entre la lame et le disque, ce qui conduit tôt ou tard à la fissuration. Lors de l’essai Low Cycle Fatigue, ces sollicitations sont simulées sur une éprouvette et le nombre de cycles d'oscillations est déterminé jusqu'à la fissure. L’essai est généralement réalisé à température élevée. La fréquence d’essais se situe typiquement entre 0,01 et 5 Hz.

La machine d’essais et le régulateur de la machine seront notamment sollicités. Lors du passage de la déformation élastique à la déformation plastique, la rigidité de l'éprouvette change radicalement et le contrôleur doit réagir très rapidement, par exemple pour garantir une vitesse d’augmentation constante de l’allongement. Une rigidité particulièrement élevée de la machine d’essais joue ici un rôle décisif.

Principales normes

  • ISO 12106 Matériaux métalliques – Essai de fatigue – Méthode par déformation axiale contrôlée
  • ASTM E606 Méthode d'essai standard pour essai de fatigue réalisé en contrôle allongement 
  • BS 7270 Méthode pour amplitude constante - Essai de fatigue réalisé en contrôle allongement

Sollicitation dans l’essai Low Cycle Fatigue

La sollicitation dans l’essai Low Cycle Fatigue se compose d’une portion élastique de l’allongement Ɛa,e et d’une portion plastique Ɛa,p: Ɛa,t = Ɛa,e + Ɛa,p

S'il existe bel et bien une relation linéaire entre la contrainte et la déformation dans la plage élastique (loi de Hooke), celle-ci n'est pas linéaire dans la plage plastique. Le résultat est une boucle d'hystérèse.

Les essais Low Cycle Fatigue d’après ISO 12106 / ASTM E606 sont réalisés à amplitude constante. Des temps d’arrêt pourront également être ajoutés pour étudier les processus de fluage / relaxation. Un triangle ou un trapèze pour les temps d’arrêt est utilisé comme valeur de consigne.

D’autres courbes de contrainte-temps sont également possibles pour simuler des charges d’exploitation spécifiques. Ainsi, même les essais Low Cycle Fatigue seront réalisés avec une oscillation superposée de plus haute fréquence.

La fréquence d’essais est généralement inférieure ou égale à 1 Hz, mais cette limite est constamment repoussée vers le haut, de sorte que des essais LCF jusqu'à 10 Hz peuvent également être réalisés.

Les essais LCF sont approchés en régulation allongement. Seuls, certains cas particuliers requièrent de passer au contrôle force dans la zone d'hystérèse stabilisée ou pendant les temps d’arrêt, afin d'étudier les effets du fluage. Pour la caractérisation des matériaux, les essais sont généralement réalisés à un ratio RƐ de -1.

Déroulement d’essai Low Cycle

L’éprouvette sera chauffée à température d’essais, après qu’elle ait été soigneusement montée. La machine se trouve alors en régulation force, la valeur de consigne est 0 kN. Le capteur d’allongement sera positionné, après approche de la température souhaitée. Lorsque le capteur est positionné sur l’éprouvette dès la phase de chauffage, le L0 modifié doit également être pris en compte. Pour terminer, le système basculera en régulation allongement et l’essai sera démarré.

Les premiers cycles sont particulièrement importants, car les matériaux peuvent y présenter un comportement très différent.

Une hystérèse stabilisée est généralement obtenue après quelques changement de charge. Certains matériaux, en revanche, ne présentent ni durcissement ni déformation.

Cyclic Hardening

Certains matériaux durcissent au cours les premiers cycles, c'est-à-dire que la force permettant d’approcher l'allongement cible augmente de cycle en cycle.

Cyclic Softening

D'autres matériaux présentent un comportement exactement opposé, ils deviennent instables, la force nécessaire diminue.

Fin essai

La fin essai de la fatigue à court terme est généralement définie comme chute de force (en %) par rapport à la droite de régression de l'hystérèse stabilisée.

Pour faire face à ce comportement du matériau, il sera par conséquent important d’enregistrer du début chaque boucle d'hystérèse. Dans la plage stabilisée, il suffira par exemple d'enregistrer chaque centième ou millième. Une distance logarithmique est fréquemment sélectionnée et un pourcentage de variation de la force est également défini comme critère de stockage. Chaque cycle devra de nouveau être enregistré pour la fin essai.

Produits adaptés pour les essais Low Cycle Fatige d’après ISO 12106 / ASTM E606

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