Développement d'une méthodologie d'essais de fatigue vibratoire HCF pour les métaux

Les moyens d'essais pour la caractérisation du comportement en fatigue à grand nombre de cycles (High Cycle Fatigue, ou HCF) des métaux sont multiples. Il existe notamment différents types de machine d'essai : servo-hydrauliques, rotatives, ultrasoniques, ou vibrophores. Les machines de flexion rotative ainsi que les montages ultrasoniques et les vibrophores sont généralement limités quant aux types de sollicitation pouvant être imposés. Les machines ultrasoniques ont l'avantage de générer des sollicitations à hautes fréquences - ce qui accélère l'exécution des essais - et de permettre d'investiguer le domaine de la fatigue à très grand nombre de cycles. Cependant, elles présentent l'inconvénient de ne pas toujours représenter les fréquences de sollicitation des pièces en service. Les machines servo-hyauliques permettent de générer plusieurs états de contrainte différents selon le montage employé. Ceci dit, ces montages sont souvent coûteux, inefficaces énergétiquement et limités aux basses fréquences. De plus, il est souvent nécessaire de modifier le montage ou de changer de machine pour modifier l'état de contrainte. Les méthodes vibratoires exploitant la résonance d'éprouvettes sur un pot vibrant sont prometteuses car elles sont relativement efficaces du point de vue énergétique. Elles permettent aussi de travailler sur une large plage de fréquence (jusqu'à quelques kHz au moins). De plus, il est possible d'obtenir différents types de sollicitations en conservant le même montage et en apportant des modifications mineures à la géométrie d'éprouvette. L'objectif de ce projet de recherche est d'explorer les différents états de contrainte qui peuvent être atteints par l'usage d'un pot vibrant et de développer une méthode d'essai robuste pour calibrer les critères de fatigue multiaxiale. Une revue des concepts de base de la fatigue HCF a permis d'identifier les mécanismes principaux liés à ce phénomène ainsi que les critères couramment utilisés afin de caractériser la tenue en fatigue uniaxiale et multiaxiale. Le critère de Dang Van permet de mettre en lumière la nécessité d'essais de fatigue multiaxiale afin de calibrer les modèles utilisés en conception. Les méthodologies expérimentales permettant de calibrer les critères de résistance en fatigue incluent les essais ultrasoniques, les essais sur vibrophore, les machines rotatives de type R.R. Moore, les machines servo-hydrauliques ainsi que les essais sur pot vibrant.

Abstract

A variety of High Cycle Fatigue testing methods based on different machines exist : sevo-hydraulic machines, rotating beam machines, ultrasonic machines or vibrophores. Vibrophores, rotating beam and ultrasonic machines are generally limited as to the achievable stress states. Ultrasonic machines have the advantage of generating high frequency cyclic loading – which reduces testing time – and allow for the investigation of Very High Cycle Fatigue. However, their high testing frequency is also a drawback insofar as it may not be representative of loading frequencies of actual parts in service. Servo-hydraulic machines can achieve a variety of different stress states depending of the particular machine and setup. That being said, these machines are often expensive, energetically inefficient and limited to low frequencies. In addition, it is often necessary to modify the setup or use a different machine to change the targeted stress state. Vibration based methods that exploit specimen resonance on an electrodynamic shaker are promising in part because they are relatively efficient from an energetic point of view. Furthermore, they allow for a wide range of testing frequencies (up to a few kHz at least) and can achieve a variety of stress states using the same setup and altering only the specimen geometry. The main objective of the research project is to explore the different stress states that can be achieved using an electrodynamic shaker and to develop a robust testing methodology to calibrate multiaxial fatigue criteria. A review of basic HCF fatigue concepts lead to the identification of the main mechanisms underlying this phenomenon as well as the usual criteria employed in order to characterize uniaxial and multiaxial fatigue. The Dang Van criterion in particular is used to illustrate the need for multiaxial fatigue testing in order to calibrate models that are used downstream in part design. Testing methodologies that allow for this kind of calibration include those based on R.R. Moore, sevo-hydraulic, ultrasonic machines as well as vibrophores or shakers. A comparative analysis reveals that shaker based methods could constitute an excellent way to easily test specimens under a wide range of stress states as well as loading frequencies for HCF tests. The following question then arises : what range of multiaxial stress states can be generated on a plate using a shaker ?