Sensibilité des métaux ferreux à l'effet d'entaille en fatigue

Les matériaux ferreux sont souvent utilisés pour la fabrication de pièces, machines, équipements, etc. Selon leur composition chimique et leur méthode d'élaboration, les alliages ferreux présentent des propriétés mécaniques très variées. Le choix de l'alliage est basé sur le type de chargement, l'environnement, le coût, la formabilité et d'autres conditions de fonctionnement. Cette étude a pour but de comprendre le comportement en fatigue de deux aciers ayant une sensibilité différente à l'effet d'entaille : l'acier de construction 350W et l'acier 4140 trempé et revenue, le premier étant moins sensibles à l'effet d'entaille car peu résistant à l'amorçage des fissures. Des essais de fatigue à R = -1 et R = 0 ont été réalisés pour les deux aciers sur trois types d'éprouvette en chargement axial (bord lisse, entaille douce et entaille sévère). Les surfaces de rupture ont été observées et analysées. Le degré de déformation, le nombre de sites d'amorçage ainsi que l'emplacement de la zone de rupture finale ont été étudiés. Les données S-N obtenues ont permis de déterminer les courbes S-N par régression, les limites d'endurance et les facteurs de réduction de la résistance en fatigue. Les résultats ont été interprétés et les valeurs obtenues ont été comparées avec les valeurs estimées par différentes approches existantes. Notamment la validité des estimations des courbes S-N par l'approche d'amorçage/propagation et par la méthode de Juvinall a été éprouvée. La limite d'endurance d'une éprouvette avec bord lisse sollicitée en traction-compression représente 49% de la résistance à la traction de l'acier 350W et 46% de celle de l'acier 4140TR. À R = 0, cette fraction devient 39% pour les deux aciers. Les courbes S-N de l'acier 4140TR sont pour toutes les géométries situées au-dessus de celles du 350W. Les courbes S-N des éprouvettes entaillées sont d'autant plus basses par rapport aux courbes des éprouvettes à bord lisse que le facteur kt est élevé. La chute de la limite d'endurance la plus marquée a été observée dans le cas de l'acier 4140TR, ce matériau donc plus sensible à l'effet d'entaille. Ceci a pour conséquence que le rapport entre les limites d'endurance des deux aciers diminue quand la sévérité d'entaille augmente. Cependant si l'augmentation de la sévérité d'entaille entraine une diminution de la limite d'endurance, la réduction de la résistance diminue quand le nombre de cycles à la rupture diminue. Les courbes S-N ont des pentes d'autant plus élevées que l'entaille est sévère.

Abstract

Ferrous materials are widely used for manufacturing parts, machinery, equipment, etc. Depending on their chemical composition and method of manufacturing, ferrous alloys exhibit very different mechanical properties. The choice of alloy is based on type of loading, environment, cost, formability and other service conditions. The purpose of this study is to understand the fatigue behavior of two steels with different notch sensitivity: a 350W structural steel and a 4140 quenched and tempered steel, the first being less sensitive to notch effect as it has less resistance to crack initiation. Fatigue tests at R = -1 and R = 0 were undertaken for both steels using three types of specimen under axial loading (smooth specimen, blunt V-notch and severe V-notch). The fracture surfaces were observed and analyzed. The degree of deformation, the number of crack initiation sites and the location of the zone of final fracture were studied. The S-N data obtained were used to determine the S-N curves by regression, the fatigue limits and the fatigue notch factors. The results were interpreted and the values obtained were compared with values estimated by different approaches. The validity of S-N curves estimates by the initiation-propagation approach and by the Juvinall method has been tested. The fatigue limit of a smooth specimen tested under fully reversed axial loading represents 49% of the tensile strength of the 350W steel and 46% of that of 4140TR steel. Under zero-to-tension loading, this fraction becomes 39% for both steels. S-N curves of 4140TR steel are located above those of 350W steel for all geometries. The higher the stress concentration factor kt the lower the S-N curves of notched specimens with respect to the smooth specimen curve. The reduction of the fatigue limit was observed more pronounced in the case of 4140TR steel so this material is more sensitive to the notch effect. This means that the ratio between the fatigue limits of both steels decreases as the notch severity increases. However, if the increase in notch severity resulted in a decreased fatigue limit the value of kf decreases for shorter lives. S-N curves have steeper slopes as the notch severity increases. The formation of a plastic zone at the tip of the blunt notch (multiple crack initiation around the circumference and final fracture in the center) is confirmed by examining the fracture surfaces.