Fatigue des matériaux

Fatigue des matériaux

Alliages d’aluminium

L’aluminium est un élément rarement utilisé dans son état pur vu ses propriétés médiocres à cet état. D’ailleurs, il est dans la plupart des cas sous forme d’alliage, en lui mélangeant d’autres éléments avec des proportions bien définies afin d’améliorer et ou de modifier certaines de ses propriétés.La popularité de l’aluminium est principalement due à la diversité des propriétés physiques et mécaniques qui lui confèrent un caractère unique. Il s’agit d’un matériau très important dans les industries de fabrication, particulièrement dans le domaine de l’aéronautique et de l’automobile, où la légèreté et la haute résistance des pièces complexes sont indispensables. Les propriétés d’un métal telles que l’aluminium varient en fonction des alliages. Mais aux fins des calculs, les normes utilisent les valeurs moyennes ou nominales, c’est le cas de la masse volumique, le coefficient de dilatation thermique et le module d’élasticité [2]. On note que les alliages d’aluminium sont classés selon leur composition chimique par rapport aux éléments d’additions et les traitements thermiques subis pendant ou après l’élaboration.
La masse volumique de l’aluminium varie de 2600 à 2800 kg/m3, soit à peu près d’un tiers de celle de l’acier. La valeur retenue pour les calculs est généralement à 2700 kg/m3 soit la moyenne. Donc, l’utilisation de ce matériau s’impose quand il faut réduire au maximum la masse des structures ; c’est le cas dans les industries de transport en général,où pour économiser de l’énergie on cherche à diminuer le poids à vide  Le coefficient d’expansion linéaire (a). C’est la dilatation du volume d’un corps occasionné par son réchauffement. Il est deux fois plus élevé que celui de l’acier avec la valeur de 24xlO”6oC”1. Il représente un inconvénient pour les alliages en aluminium,
puisque il peut causer après dilatation le blocage des systèmes si les tolérances sont mal
calculées.
Le module de Young est le module d’élasticité (longitudinal) : est la constante qui relie la contrainte de traction G avec la déformation S. La valeur pour l’aluminium varie entre 69000 et 75000 MPa, par contre la valeur utilisée pour les calculs est égale à 70000 MPa.
Cette valeur représente également le tiers de celle de l’acier. Par conséquent, il faut tenir compte de la rigidité lors de la conception en compensant la souplesse de l’aluminium par l’augmentation de la section ou du moment d’inertie.
L’essai de traction permet de caractériser la contraction d’une matière perpendiculaire à la direction de l’effort appliqué, le coefficient de poisson (v) est le rapport de la contraction transversal sur la déformation longitudinale dans le domaine élastique. Ce rapport est égal à 0.33 pour l’aluminium et ses alliages.La ductilité désigne la capacité d’un matériau à se déformer sans se rompre. Notons que les alliages d’aluminium ont une excellente ductilité et peuvent prendre presque n’importe
quelle forme. En plus, les surfaces qui en résultent sont lisses.

Classement des alliages d’aluminium

Les alliages d’aluminium sont classés suivant leur composition chimique par rapport aux éléments d’aditions, les traitements thermiques subis pendant ou après l’élaboration et par les travaux mécaniques. On distingue alors sept familles d’alliages de corroyage par une numérotation en milliers.
> Série 1000 : Aluminium non allié;
> Série 2000 : Aluminium allié au cuivre;
> Série 3000 : Aluminium allié au manganèse;
> Série 4000 : Aluminium allié au silicium;
> Série 5000 : Aluminium allié au magnésium;
> Série 6000 : Aluminium allié au magnésium et au silicium;
> Série 7000 : Aluminium allié au zinc et au magnésium.
On note que les alliages couramment utilisés dans les domaines de l’automobile, d’aéronautique et de construction structurale sont ceux qui offrent plus de résistance et de sécurité, c’est-à-dire les séries 6000 et 7000.
Série 6000 (alliage de Al-Mg-Si) : ces éléments d’alliages augmentent les propriétés mécaniques de l’aluminium, elle est considérée comme idéale pour les applications structurales. Ces alliages ont une résistance acceptable aux charges, une bonne résistance à la corrosion et une formabilité idéale à l’extrusion. Ils peuvent être facilement soudés et anodisés. Une combinaison d’Al-Mg-Si est susceptible au durcissement par traitement thermique. Le type le plus résistant des matériaux 6000 est à l’état T6, il est parfois décrit comme l’acier doux de l’aluminium. En effet, c’est un matériau moins résistant que l’acier doux, avec une limite d’élasticité semblable (250 N/mm2), mais beaucoup moins résistant à la traction (300 N/mm2). Il est aussi moins ductile.
Série 7000 (alliages d’Al-Zn-Mg) : cette série offre les résistances mécaniques les plus élevées parmi toutes les autres séries d’alliages d’aluminium. Les ajouts du manganèse maximisent le durcissement par vieillissement. Les alliages de cette série sont faciles à souder et donnent une bonne réponse au traitement thermique. Par contre, la présence du zinc leur fait perdre davantage la résistance à la corrosion.

Procédés de fabrication

L’aluminium en tant qu’un élément très malléable peut être soumis à différentes procédés pour le transformer en produits. Parmi les principaux procédés de transformations on trouve : le laminage. l’extrusion, le forgeage et le moulage. La méthode d’élaboration est résumée dans l’organigramme suivant de la figure 2.1.
• Forgeage par pressage 1 Pièces forgées
• Usinage : L’usinage est un mode de fabrication qui est assez lent. Il est utilisé comme un procédé de fabrication des pièces et de finition après le forgeage par exemple. Généralement, il est employé pour la fabrication en petite série. L’usinage représente une famille de techniques de fabrication pour des pièces mécaniques en alliage d’aluminium.
Son principe consiste à enlever de la matière à l’aide d’une machine-outil de manière à donner à une ébauche la forme voulue. Par cette technique, on obtient des pièces d’une grande précision. Lors de l’usinage d’une pièce, l’enlèvement de matière est réalisé par la conjonction de deux mouvements relatifs entre la pièce et l’outil : le mouvement de coupe et le mouvement d’avance. Il existe deux manières de générer la surface recherchée : par travail de forme ou par travail d’enveloppe. Dans le cas du travail de forme, c’est la forme de l’outil qui conditionne la surface finalement obtenue. Dans le cas du travail d’enveloppe,
c’est la trace de l’arête de l’outil qui donne la surface finale. De nos jours, des machines à commandes numériques asservies par un système informatique permettent d’automatiser partiellement ou totalement la procédure.
• Soudage : Ce procédé est connu par sa flexibilité. Le cycle de fabrication est aussi long, il exige souvent des préparations ou des montages complexes. L’opération de soudage consiste à assembler de manière permanente deux ou plusieurs parties constitutives d’un montage, par chauffage ou par pression, entraînant la fusion des deux matériaux constitue l’assemblage. Cette fusion s’effectue avec ou sans emploi d’un métal d’apport, dont la température de fusion est de même ordre de grandeur que celle du matériau de base. Ce procédé permet d’obtenir une continuité métallique de l’assemblage.
• Forgeage : le forgeage est un procédé important pour les domaines liés au secteur du transport, il peut être exécuté à chaud ou à froid. On distingue deux techniques : le forgeage par martelage et le forgeage par pressage. La première consiste à martelé à répétition – à laide d’un marteau – une pièce en métal chauffée placée entre deux moules spéciaux. La seconde par pressage, consiste pour sa part à placer une ébauche en aluminium préchauffée et exercer ensuite une pression uniforme. Les pièces forgées ne sont pas souvent des produits finis. Des usinages sont nécessaires pour des pièces complexes et précises [3].

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Table des matières

Résumé
Remerciements
Chapitre 1 INTRODUCTION
1.1 Problématique
1.2 Objectifs
1.3 Méthodologie
Chapitre 2 REVUE DE LITTERATURE
2.1 Alliages d’aluminium
2.2 Procédés de fabrications
2.2.1 Moulage
2.2.2 Moulage sous pression à l’état semi-solide, SEED
2.3 Fatigue des matériaux
2.3.1 Types d’excitations en fatigue
2.3.2 Diagramme d’endurance
2.3.3 Endommagement par fatigue, amorçage et propagation
2.3.4 Facteurs influençant sur l’endurance des pièces
2.4 Synthèse de la revue de littérature
Chapitre 3 DÉVELOPPEMENT DU MODÈLE ANALYTIQUE
3.1 Approches en déformation
3.2 Approches en contraintes
3.3 Approche énergétique SWT
3.4 Calcul analytique de la durée de vie
Chapitre 4  ÉTUDE NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE
4.1 Présentation des pièces
4.2 Bras de suspension supérieur
4.2.1 Étude fréquentielle
4.2.2 Analyse des contraintes
4.3 Bras de suspension inférieur
4.3.1 Sollicitation selon l’axe Y
4.3.2 Sollicitations selon l’axe Z
4.3.3 Sollicitations selon l’axe X
4.4 Calibration et étalonnage
4.4.1 Étude fréquentielle et vibratoire
4.4.2 Calibration du banc d’essai de fatigue
4.5 Étude expérimentale du bras triangulaire
4.5.1 Conception du montage
4.5.2 Préparation des pièces
4.5.3 Instrumentation
Chapitre 5 RESULTATS ET DISCUSSIONS
5.1 Bras de suspension supérieur
5.2 Bras de suspension inférieur instrumenté
5.3 Essai de traction et de compression
5.4 Résultats de fatigue
5.4.1 Selon l’axe Z et l’axe X
5.4.2 Selon l’axe Y
Chapitre 6 CONCLUSION
RÉFÉRENCES

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