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MS203 Fatigue et rupture des matériaux et des structures [V3A] et [V3D]

Science des matériaux, mécanique, génie mécanique, Matériaux, Mécanique des solides

Objectifs

Un grand nombre d'accidents catastrophiques dans le domaine de l'aviation, de l'aérospatial et
d'une manière générale du génie industriel, a pour origine la fissuration et la rupture de pièces
mécaniques. L'une des principales causes d'amorçage de fissuration est la fatigue des matériaux
et des structures. Celle-ci peut survenir sur toute structure soumise à des chargements variables.
Or les structures mécaniques sont toujours soumises à des chargements thermomécaniques variables
(cycliques ou aléatoires) : charges roulantes, vibratoires, rotatives.
Ainsi, les rails subissent les charges roulantes, leurs fluctuations, les variations de températures
entre le jour et la nuit, entre l'été et l'hiver. Les éléments des centrales nucléaires sont soumis
aux cycles marche-arrêt ; les tuyauteries connaissent, dans les zones de mélange entre les fluides
chauds et froids, des sollicitations thermiques aléatoires. Les avions, entre plus des cycles
atterrissage-décollage, subissent des turbulences, des fluctuations d'efforts dus au vent, tout
comme les différents ouvrages d'art.

Des ruptures peuvent apparaître après un nombre très élévé de cycles de sollicitations sans aucun
signe extérieur de dommage, alors même que la structure travaille dans le domaine élastique : on
parle dans ce cas de fatigue à grand nombre de cycles. En régime plastique, la fatigue apparaît
plus rapidement ; on la qualifie alors de fatigue à faible nombre de cycles.

Aussi, ce cours débutera par le problème de l'amorçage de fissures de fatigue. Un historique de la
fatigue sera effectué afin de mieux illustrer les difficultés rencontrées dans la formulation de
critères fiables ainsi que dans le dimensionnement de structure à la fatigue.

On verra aussi, qu'au niveau macroscopique la nature de la fatigue susceptible de survenir est
fonction de l'état stabilisé de déformations plastiques. Lorsque ces dernières sont importantes,
il y a risque de fatigue oligocyclique (ou fatigue à faible nombre de cycles), alors que dans le
cas où elles sont négligeables il y a plutôt risque de fatigue polycyclique (à grand nombre de
cycles).
Ceci nous amenera naturellement à étudier les états asymptotiques de structures élastoplastiques
soumises des chargements cycliques. Trois types d'états stabilisés (adaptation, accommodation
ou rochet) sont possibles. Une condition suffisante d'adaptation sera donnée. Elle est d'une
importance primordiale pour la suite du cours, aussi bien au niveau macroscopique dans la
formulation locale du critère de fatigue (de Dang Van).

Ensuite, on s'intéressera la fatigue polycyclique des métaux. Une présentation des critères
classiques sera faite. Elle permettra de souligner leurs insuffisances, et de montrer la
nécessité de tenir compte du trajet de chargement. Celle-ci sera réalisée au moyen de l'approche
macro-micro proposée par Dang Van.

Enfin, une introduction au problème de la fatigue à faible nombre de cycles viendra clore cette
première partie du cours. Elle donnera aux élèves des notions permettant la détermination de la
durée de vie des structures travaillant dans le régime plastique.

Evaluation

Contrôles écrits (à la fin du cours de fatigue et du cours de rupture)

Prérequis

Mécanique des milieux continus MS101, élasticité linéaire MS102
Comportement nonlinéaire des matériaux MS201
Mécanique des structures MS202

Mots-clés

calcul des structures à la fatigue, fatigue polycyclique et oligocyclique, adaptation, critère de Dang Van, approche multi-échelle, singularité de contrainte, facteur d'intensité de contrainte, ténacité, loi de Paris

rupture 1
rupture 2
rupture 3

nb : 26

lundi 21 janvier 2013
	08:30 - 10:00 / CM	Introduction aux problèmes de la tenue des structures: fatigue et rupture. Historique de la fatigue
	10:00 - 11:45 / PC	Rappel sur les contraintes et les critères de plasticité
vendredi 25 janvier 2013
	08:30 - 10:00 / CM	Critères de fatigue empiriques
	10:00 - 11:45 / PC	Exercices
lundi 28 janvier 2013
	08:30 - 10:00 / CM	Structures sous chargements cycliques : adaptation-accommodation-rochet
	10:00 - 11:45 / PC	Exercices
vendredi 01 février 2013
	08:30 - 10:00 / CM	Trajets de chargements cycliques locaux. Critères multiaxiaux de fatigue polycyclique
	10:00 - 11:45 / PC	Exercices
lundi 04 février 2013
	8:30 - 9:30 / CM	Approche macro-meso de Dang Van I
	9:45 - 11:45 / PC	Exercices
vendredi 08 février 2013
	08:30 - 10:00 / CM	Facteurs influençant la tenue à la fatigue
	10:00 - 11:45 / PC	Exercices
lundi 11 février 2013
	08:30 - 10:00 / CM	Introduction à la fatigue oligocyclique
	10:00 - 11:45 / PC	Exercices
vendredi 15 février 2013
	08:30 - 10:00 / CM	Chargement variable, Cumul de dommage
	10:00 - 11:45 / autre	Conférence d'un industriel
lundi 18 février 2013
	08:30 - 11:45 / CC	Controle de connaissance de fatigue
vendredi 22 février 2013
	08:30 - 10:00 / CM	Concentration de contrainte Singularité de contrainte
	10:00 - 11:45 / PC	Exercices
lundi 25 février 2013
	08:30 - 10:00 / CM	Approche énergétique de la rupture
	10:00 - 11:45 / PC
vendredi 01 mars 2013
	08:30 - 10:00 / CM	Approche énergétique de la rupture (suite)
	10:00 - 11:45 / PC	Exercices
lundi 18 mars 2013
	08:30 - 10:00 / CM	Propagation de fissure en fatigue
	10:00 - 11:45 / PC
vendredi 22 mars 2013
	8:30 - 11:45 / CC	Contrôle de rupture
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Dernière mise à jour: 04/02/2013, par vilas