Exigences en matière de résistance à la fatigue de l'extrusion d'aluminium ?
Les défaillances dues à la fatigue apparaissent souvent sans prévenir. De nombreux acheteurs se concentrent sur la limite d'élasticité et négligent la fatigue. Cette lacune entraîne des fissures, des temps d'arrêt et des coûts de remplacement élevés.
La résistance à la fatigue de l'aluminium extrudé dépend de l'alliage, de la trempe, de la qualité de la surface et de la répartition des charges. Dans la plupart des utilisations industrielles, la résistance à la fatigue est bien inférieure à la résistance statique et doit être vérifiée dès le début de la conception.
De nombreux projets échouent non pas parce que l'aluminium est faible, mais parce que le comportement à la fatigue est ignoré. Une compréhension précoce de la fatigue permet d'éviter les modifications de conception, les retards et les risques pour la sécurité.
Quelle est la résistance à la fatigue typique des extrusions ?
La résistance à la fatigue n'est pas un chiffre fixe. Elle varie en fonction de l'alliage, de la trempe, de l'état de surface et des cycles de contrainte. Les concepteurs s'attendent souvent à une valeur précise, mais l'aluminium ne se comporte pas comme l'acier en fatigue.
La résistance à la fatigue typique de l'extrusion d'aluminium varie de 30 MPa à 100 MPa à 10 millions de cycles, en fonction de l'alliage et de la trempe. Il n'existe pas de véritable limite d'endurance pour l'aluminium.
Cela signifie que les dommages dus à la fatigue s'aggravent au fur et à mesure que les cycles augmentent, même à faible contrainte.
Pourquoi l'aluminium n'a pas de limite d'endurance
L'acier présente souvent une courbe de fatigue plate. En dessous d'une limite de contrainte, il peut survivre à des cycles infinis. L'aluminium ne se comporte pas de cette manière.
Pour les extrusions d'aluminium :
- Chaque cycle de stress provoque de petits dommages
- Les microfissures se développent lentement au fil du temps
- L'échec peut survenir même en cas de faible stress
Le nombre de cycles est donc essentiel.
Plages de fatigue typiques par famille d'alliage
Vous trouverez ci-dessous une comparaison générale utilisée au début de la conception. Il ne s'agit pas de valeurs garanties. Elles ne servent qu'à faciliter la sélection.
| Alliage | Tempérer | Résistance à la fatigue approximative à 10^7 cycles (MPa) | Utilisation courante |
|---|---|---|---|
| 6063 | T5 | 30 à 50 | Cadres architecturaux et légers |
| 6061 | T6 | 60 à 95 | Structures, machines |
| 6082 | T6 | 70 à 100 | Cadres robustes |
| 7075 | T6 | 90 à 130 | Aérospatiale, charge élevée |
L'état de surface peut réduire ces valeurs de 20 % ou plus.
Rôle de la qualité de l'extrusion
La fatigue commence aux points faibles. Dans les extrusions, ces points sont souvent les suivants :
- Lignes de découpe
- Rayures de surface
- Angles vifs
- Souder des joints dans des profils creux
Une bonne conception des matrices et un bon contrôle des processus réduisent ces risques. Dans de nombreux cas, les surfaces lisses améliorent la durée de vie en fatigue plus que l'augmentation de l'épaisseur de la paroi.
L'importance du taux de contrainte
La résistance à la fatigue dépend du rapport de contrainte. Une charge complètement inversée est plus sévère qu'une charge dans une seule direction.
Les concepteurs doivent définir :
- Contrainte maximale
- Contrainte minimale
- Stress moyen
Ignorer cela conduit à des hypothèses peu sûres.
Erreur de conception précoce à éviter
De nombreux acheteurs ne demandent que des rapports sur la résistance à la traction. Cela ne permet pas de prédire la résistance à la fatigue. La résistance à la fatigue est généralement bien inférieure à la limite d'élasticité.
Les extrusions d'aluminium ont une limite d'endurance claire similaire à celle de l'acier.Faux
L'aluminium n'a pas de véritable limite d'endurance. Les dommages dus à la fatigue continuent de s'accumuler au fur et à mesure que les cycles augmentent.
La finition de la surface joue un rôle majeur dans la résistance à la fatigue de l'extrusion d'aluminium.Vrai
Les défauts de surface agissent comme des points d'initiation des fissures et réduisent fortement la durée de vie en fatigue.
Comment les cycles de charge affectent-ils la durée de vie de l'extrusion ?
La rupture par fatigue est due à une charge répétée, et non à une surcharge unique. De nombreuses extrusions se brisent sous des charges bien inférieures à leur résistance nominale à cause du cyclage.
Les cycles de charge réduisent la durée de vie de l'extrusion en créant des microfissures qui s'agrandissent à chaque cycle jusqu'à ce qu'une fracture soudaine se produise. Des cycles et des plages de contraintes plus élevés réduisent fortement la durée de vie.
Il est plus important de comprendre les schémas de charge que les pics de charge.
Qu'est-ce qu'un cycle ?
Un cycle correspond à un changement de charge complet. Cela comprend
- Démarrage et arrêt des machines
- Vibrations dues au vent
- Dilatation et contraction thermique
- Levage ou mouvement répété
Même les petites variations de stress comptent.
Les bases de la courbe S-N
Le comportement à la fatigue est illustré par une courbe S-N :
- S = amplitude de la contrainte
- N = nombre de cycles jusqu'à la rupture
Pour l'aluminium :
- Des contraintes élevées entraînent des défaillances rapides
- Un faible niveau de stress permet de vivre longtemps, mais pas à l'infini
Les concepteurs visent souvent une durée de vie spécifique, telle que 2 millions ou 10 millions de cycles.
Fatigue à haut cycle ou à bas cycle
Il existe deux zones de fatigue communes.
Fatigue oligocyclique
- Stress élevé
- Déformation plastique
- Cycles généralement inférieurs à 100 000
- Fréquent en cas de charges sismiques ou de chocs
Fatigue à haut cycle
- Diminution du stress
- Déformation élastique
- Millions de cycles
- Courant dans les cadres et les supports de machines
La plupart des extrusions d'aluminium sont soumises à une fatigue à cycle élevé.
Direction de la charge et forme du profil
Les extrusions résistent mieux à la fatigue :
- Les chemins de charge sont fluides
- Le stress est uniformément réparti
- Il n'y a pas de changement soudain de section
Les mauvaises conceptions sont les suivantes :
- Encoches tranchantes
- Toiles minces près des trous
- Changement brusque d'épaisseur
Ajustements pratiques de la conception
Pour prolonger la durée de vie en fatigue :
- Augmenter le rayon du congé
- Éviter les angles vifs
- Utiliser une épaisseur de paroi uniforme
- Réduire la concentration de stress
De petites modifications de la géométrie permettent souvent de doubler la durée de vie en fatigue.
Sources cachées de cyclisme
Certains acheteurs ne tiennent compte que de la charge mécanique. Ils oublient :
- Cycles de température
- Contrainte d'assemblage
- Contrainte résiduelle due au redressement
Ceux-ci se combinent avec les charges de service.
Modèle d'échec réel
Les fissures de fatigue sont souvent silencieuses. Elles se développent lentement. Puis la défaillance survient soudainement. Il n'y a souvent pas d'avertissement visible avant la rupture définitive.
La rupture par fatigue des extrusions d'aluminium se produit généralement de manière progressive avec une déformation visible.Faux
Les fissures de fatigue se développent silencieusement et la défaillance finale est souvent soudaine et peu visible.
La réduction de la concentration des contraintes peut considérablement prolonger la durée de vie de l'extrusion.Vrai
Une concentration de contraintes plus faible réduit l'apparition de fissures et ralentit leur croissance.
Quels sont les alliages qui offrent une meilleure résistance à la fatigue ?
Tous les alliages d'aluminium ne se comportent pas de la même manière en fatigue. Le choix de l'alliage a un impact important sur la durée de vie.
Les alliages des séries 6000 et 7000 offrent une meilleure résistance à la fatigue que ceux de la série 3000. Les alliages 6061-T6 et 6082-T6 sont des choix équilibrés courants pour les extrusions.
Cependant, la résistance seule ne garantit pas la performance en matière de fatigue.
L'importance de la chimie des alliages
La résistance à la fatigue dépend de :
- Structure du grain
- Durcissement par précipitation
- Contrôle des impuretés
Les alliages pouvant être traités thermiquement sont généralement plus performants.
Comparaison des alliages d'extrusion courants
| Alliage | Comportement à la fatigue | Avantages | Limites |
|---|---|---|---|
| 6063-T5 | Faible à modéré | Bonne surface, extrusion facile | Résistance à la fatigue plus faible |
| 6061-T6 | Modéré à élevé | Bon équilibre entre résistance et coût | Légèrement plus difficile à extruder |
| 6082-T6 | Haut | Plus résistant que le 6061 | Moins bonne qualité de surface |
| 7075-T6 | Très élevé | Excellente fatigue | Coût, risque de corrosion |
Pourquoi le matériau 6061-T6 est-il largement utilisé ?
L'acier 6061-T6 est souvent choisi pour les raisons suivantes
- Données stables sur la fatigue
- Bonne usinabilité
- Résistance acceptable à la corrosion
- Grande disponibilité des fournisseurs
Ce n'est pas le plus fort, mais il est prévisible.
Rôle du tempérament
La température modifie le comportement de la fatigue.
- T5 : refroidi par extrusion, fatigue moindre
- T6 : traitement de mise en solution et vieillissement, fatigue plus élevée
Une amélioration de la trempe peut augmenter la résistance à la fatigue sans modifier le profil.
Impact du soudage
Le soudage réduit fortement la résistance à la fatigue.
- Les zones affectées par la chaleur se ramollissent
- Modifications de la microstructure
- Les fissures apparaissent souvent près des soudures
Les concepteurs doivent éviter de souder dans les zones de grande fatigue ou augmenter localement la taille des sections.
Effets du traitement de surface
Certains traitements sont utiles, d'autres nuisibles.
- Anodisation : peut réduire légèrement la fatigue si elle est épaisse
- Grenaillage de précontrainte : peut améliorer la fatigue
- Polissage : améliore la fatigue
Le contrôle de la surface est essentiel.
Compromis coût/fatigue
Les alliages plus résistants à la fatigue coûtent plus cher. Mais le coût de remplacement et le temps d'immobilisation sont souvent plus élevés que la mise à niveau des matériaux.
7075-T6 offre toujours la meilleure solution en termes de fatigue pour toute application d'extrusion.Faux
Bien que résistant, le 7075-T6 est plus coûteux et plus sensible à la corrosion et ne convient pas à toutes les utilisations d'extrusion.
Les alliages de la série 6000 traités thermiquement offrent généralement une meilleure résistance à la fatigue que les alliages non traités thermiquement.Vrai
Le durcissement par précipitation améliore le comportement à la fatigue dans la plupart des applications d'extrusion.
Existe-t-il des normes pour les essais de résistance à la fatigue ?
Les essais de fatigue doivent respecter des normes. En l'absence de méthodes normalisées, les données ne peuvent être comparées ni fiables.
Oui, les essais de fatigue des extrusions d'aluminium sont couverts par les normes ASTM, ISO et EN qui définissent la forme des échantillons, le contrôle de la charge et le comptage des cycles.
Ces normes guident à la fois les essais et la validation de la conception.
Pourquoi les normes sont importantes
Les données relatives à la fatigue varient considérablement. Les normes garantissent :
- Tests répétables
- Résultats comparables
- Définition claire de la charge
Les acheteurs doivent toujours demander quelle norme a été utilisée.
Normes communes en matière de fatigue
Vous trouverez ci-dessous des références largement utilisées.
| Standard | Champ d'application | Utilisation typique |
|---|---|---|
| ASTM E466 | Fatigue axiale | Essais sur les matériaux de base |
| ASTM E468 | Présentation des données sur la fatigue | Format du rapport |
| ISO 1099 | Fatigue axiale | Référence internationale |
| EN 1999 | Conception en aluminium | Applications structurelles |
Spécimen et profil réel
Les tests standard utilisent des échantillons lisses. Les extrusions réelles comprennent
- Coins
- Trous
- Soudures
Cela signifie que la résistance à la fatigue réelle est souvent inférieure aux valeurs d'essai.
Test des composants
Pour les projets critiques, il est recommandé de tester les composants.
- Utilise le profil réel
- Y compris les soudures et les joints
- Reflète l'état de stress réel
Ce phénomène est fréquent dans les transports et les machines lourdes.
Facteurs de sécurité
Les normes de conception appliquent des facteurs de sécurité contre la fatigue. Ceux-ci tiennent compte de :
- Variation de la production
- Dommages de surface
- Incertitude de la charge
Ignorer les facteurs de sécurité conduit à une défaillance prématurée.
Liste de contrôle de l'acheteur
Lors de l'examen des données relatives à la fatigue, il convient de toujours confirmer :
- Taux de charge utilisé
- Objectif de comptage de cycles
- Définition de l'échec
- Géométrie de l'échantillon
De nombreuses fiches techniques omettent ces détails.
Codes de conception et données sur les matériaux
Les données sur la fatigue des matériaux soutiennent les codes de conception. Les codes de conception contrôlent la contrainte finale admissible.
Les ingénieurs doivent suivre le code de conception, et pas seulement les données des fournisseurs.
Les résultats des essais de fatigue sur des échantillons lisses représentent toujours les performances réelles de l'extrusion.Faux
Les extrusions réelles comportent des caractéristiques géométriques qui réduisent la durée de vie en fatigue par rapport aux échantillons lisses.
Les normes ASTM et ISO définissent des méthodes cohérentes pour les essais de fatigue de l'aluminium.Vrai
Ces normes précisent la charge, la forme des échantillons et les règles d'établissement des rapports.
Conclusion
La résistance à la fatigue contrôle la sécurité à long terme des extrusions d'aluminium. Le choix de l'alliage, la qualité de la surface, les cycles de charge et les normes sont autant d'éléments importants. Une planification précoce de la fatigue réduit les risques de défaillance, les coûts de reconception et les temps d'arrêt.
