Résistance à la fatigue des alliages de nickel : courbes S-N pour les applications de chargement cyclique

Alliages de nickelsont fréquemment spécifiés pour les composants qui subissent des millions ou des milliards de cycles de contrainte au cours de leur durée de vie - aubes de turbine, arbres de pompe, fixations marines, raccords sous-marins. Pour cette tâche, la résistance à la traction et la limite d'élasticité ne sont pas de bons chiffres à partir desquels concevoir ; la propriété déterminante est la résistance à la fatigue, lue à partir d'une courbe S-N. Les alliages de nickel se comportent différemment sur cette courbe que les aciers au carbone sur lesquels la plupart des ingénieurs apprennent en premier, et cette différence change la façon dont une durée de vie de conception sûre doit être calculée.

Qu'est-ce qu'une courbe S-N et que vous dit-elle sur un alliage de nickel ?

Une courbe S-N représente la contrainte cyclique qu'un matériau peut résister (S) par rapport au nombre de cycles jusqu'à la rupture (N), donnant aux concepteurs la seule information qu'un essai de traction statique ne peut pas : combien de temps une pièce survivra sous des charges répétées, plutôt qu'une seule-charge.

Un test de traction répond à une seule question : - quelle force brise le matériau une fois. Presque aucun composant réel ne tombe en panne de cette façon. Les arbres tournent des millions de fois, les récipients sous pression effectuent un cycle à chaque démarrage et arrêt, les aubes de turbine vibrent des milliers de fois par seconde. Chaque cycle provoque une petite quantité de dommages invisibles, même à des niveaux de contrainte bien inférieurs à la limite d'élasticité du matériau, et ces dommages s'accumulent jusqu'à ce qu'une fissure s'amorce et se développe jusqu'à la rupture. Une courbe S-N - également appelée courbe de Wöhler, du nom de l'ingénieur du 19e-siècle qui a été le pionnier du test -, est construite en cyclant des spécimens identiques à différents niveaux de contrainte et en enregistrant le nombre de cycles que chacun survit. Tracer la contrainte par rapport au logarithme des cycles jusqu'à la défaillance produit une courbe en pente descendante : une contrainte plus élevée signifie moins de cycles jusqu'à la défaillance, et vice versa.

Pour un composant en alliage de nickel, la courbe S-N répond à la question pratique qu'une fiche technique de traction ne peut pas répondre : à l'amplitude de contrainte que cette pièce subira réellement en service, combien de cycles - et donc combien d'années - peut-elle durer avant que la fissuration par fatigue ne devienne un risque ?

Les alliages de nickel ont-ils une véritable limite de fatigue comme l'acier au carbone ?

Généralement, la plupart des superalliages de nickel ne possèdent pas le genou pointu et plat qui permet aux ingénieurs d'appeler l'acier au carbone « durée de vie infinie » en dessous d'une certaine contrainte ; au lieu de cela, leurs courbes S-N continuent de descendre doucement bien au-delà de 10⁶ cycles, de sorte que la résistance à la fatigue de l'alliage de nickel doit être définie à un nombre de cycles indiqué plutôt que traitée comme une limite inconditionnelle.

Les aciers au carbone ordinaire et faiblement alliés-sont célèbres dans les essais de fatigue pour une caractéristique distincte : en dessous d'une certaine amplitude de contrainte, la courbe S-N devient essentiellement plate et les échantillons testés à cette contrainte ou en dessous survivent indéfiniment. Cette région plate est la « limite d'endurance » classique, et c'est l'un des faits les plus pratiques en conception mécanique - reste en dessous, et la rupture par fatigue n'est pas un problème quel que soit le nombre de cycles.

Les superalliages à base de nickel-tels que l'Inconel 718 ne présentent généralement pas ce comportement de manière aussi nette. Les tests de fatigue à cycle élevé- et très-élevé- publiés sur l'Inconel 718 ont révélé que la courbe S-N diminuait régulièrement tout au long du régime de cycle - élevé (environ 10⁵ à 10⁷ cycles), puis formait un plateau peu profond d'environ 10⁶ à 10⁹ cycles plutôt qu'une ligne plate et dure - avec une résistance à la fatigue diminuant toujours lentement même à l'intérieur de ce niveau. plateau. En pratique, cela signifie que le nombre cité comme « résistance à la fatigue » ou « limite d'endurance » d'un alliage de nickel n'a de sens qu'à côté du nombre de cycles, il a été mesuré à - généralement 10⁷ ou 10⁸ cycles, traité comme un faux-rond pratique plutôt qu'une preuve de durée de vie infinie.

Quelles sont les valeurs typiques de résistance à la fatigue pour les alliages de nickel courants ?

Les valeurs de résistance à la fatigue des barres lisses- signalées varient approximativement entre 410 et 620 MPa (60 000 à 90 000 psi) pour les alliages de nickel corroyés courants à 10⁷–10⁸ cycles, mais comme la méthode et les conditions de test varient selon les sources, ces chiffres doivent être interprétés comme des points de référence illustratifs et non comme des valeurs de conception interchangeables.

Source : Données Inconel 625 : Special Metals Corporation, bulletin technique de l'alliage INCONEL 625. Données Inconel 718 : études de fatigue cyclique élevée/très-élevée- rapportant les limites d'endurance Basquin et la résistance HCF à une fréquence de test de 20 Hz. Données Monel K-500 : actes de la conférence TMS Superalloys, propriétés de fatigue et de fatigue par corrosion des alliages 625Plus, 718, 725 et K-500. Les valeurs sont spécifiques à la forme du produit déclaré, au traitement thermique, à la géométrie de l'éprouvette et à la méthode d'essai ; ne s’appliquent pas directement à d’autres conditions.

Deux modèles ressortent. Premièrement, la résistance à la fatigue en tant que fraction de la résistance à la traction pour ces alliages de nickel se situe dans une plage largement similaire à la règle couramment citée-de-rapport empirique pour les métaux corroyés (environ un-tiers à une-moitié de la résistance à la traction ultime), bien que ce rapport soit une approximation, et non une garantie, pour un alliage et une condition spécifiques. Deuxièmement, l'écart entre les valeurs lisses et entaillées de l'Inconel 625 montre pourquoi la sélection de l'alliage à elle seule ne détermine pas les performances en fatigue. - la géométrie et l'état de surface font bouger l'aiguille tout autant que la chimie.

Dans quelle mesure une encoche ou une concentration de contrainte réduit-elle la résistance à la fatigue de l'alliage de nickel ?

Les données publiées en grande partie - pour l'Inconel 625 recuit montrent que la résistance à la fatigue passe d'environ 620 MPa en douceur à environ 241 MPa avec une concentration de contrainte modérée (Kt=3.3), soit une réduction d'environ 61 %, ce qui fait des rayons de congé, des racines de filetage et des marques d'usinage des variables de conception en fatigue de premier ordre-.

Un facteur de concentration de contraintes, Kt, décrit dans quelle mesure une caractéristique géométrique - un congé, une rainure de clavette, une racine de filetage, un coin pointu - amplifie la contrainte locale au-dessus de la contrainte nominale calculée à partir de la seule section transversale-. Sous chargement statique, les métaux ductiles peuvent souvent redistribuer plastiquement cette contrainte locale sans conséquence. Sous chargement cyclique, ils ne le peuvent généralement pas : une fissure s'initie préférentiellement au point de contrainte locale la plus élevée, de sorte que la résistance à la fatigue entaillée est ce qui régit réellement la durée de vie du composant, et non la valeur de la barre lisse-d'une fiche technique.

L'exemple de l'Inconel 625 illustre l'ampleur de l'effet : une caractéristique géométrique pas plus sévère qu'un congé modérément pointu (Kt=3.3) a réduit la résistance à la fatigue de l'alliage à 10⁸-cycle d'environ 61 % par rapport à un échantillon lisse et poli. C'est pourquoi les composants en alliage de nickel critiques en fatigue-sont conçus avec des rayons de congé généreux, des surfaces polies ou rectifiées dans les régions à fortes contraintes-, et des racines de filetage spécifiées avec des décisions géométriques à rayon contrôlé - qui coûtent peu au stade de la conception mais que la courbe S-N montre ne peuvent pas être récupérées plus tard en choisissant simplement un alliage plus résistant.

Comment la finition de surface affecte-t-elle la durée de vie en fatigue ?

Les surfaces plus rugueuses réduisent la résistance à la fatigue, car les fissures de fatigue commencent presque toujours à la surface. Ainsi, toute marque d'usinage, rayure ou texture de coulée agit comme une petite concentration de contraintes réparties sur l'ensemble de la surface chargée, et pas seulement sur un élément.

Étant donné que la fatigue est un mode de défaillance-initié par la surface dans l'écrasante majorité des cas, les pics et les creux microscopiques laissés par un processus de fabrication se comportent comme une population de minuscules encoches. Une surface rugueuse usinée ou forgée peut réduire la résistance à la fatigue d'une fraction significative par rapport à une surface meulée ou polie du même alliage et de la même géométrie, c'est pourquoi les données S-N publiées indiquent généralement l'état de surface de l'échantillon et pourquoi la fatigue-les pièces en alliage de nickel critiques sont fréquemment spécifiées avec une valeur de rugosité de surface maximale, pas seulement une tolérance dimensionnelle.

Le grenaillage et autres traitements de surface par compression fonctionnent dans la direction opposée, introduisant intentionnellement une contrainte de compression résiduelle à la surface pour retarder l'initiation des fissures et améliorer la durée de vie mesurée en fatigue.

Comment la température affecte-t-elle la résistance à la fatigue des alliages de nickel ?

Les superalliages de nickel conservent généralement mieux la résistance à la fatigue dans le régime de cycle élevé -à température élevée que de nombreuses autres familles d'alliages, mais la résistance à la fatigue de cycle très -élevé- diminue toujours à température élevée, de sorte que les données de fatigue collectées à température ambiante ne doivent pas être supposées s'appliquer directement à la température de service.

Des recherches sur l'Inconel 718 comparant le comportement à la température ambiante et à 650 degrés (1 200 degrés F) ont révélé qu'une température élevée n'avait qu'un effet mineur sur la résistance à la fatigue en dessous d'environ 10⁸ cycles, mais réduisait considérablement la résistance à la fatigue dans le régime de cycles très-élevé-au-dessus de 10⁸ cycles. Ce modèle est cohérent avec la raison pour laquelle les superalliages de nickel sont sélectionnés en premier lieu pour les composants de turbines et de moteurs à réaction à section chaude : leurs précipités de renforcement restent stables à des températures qui ramolliraient et affaibliraient la plupart des aciers par fatigue - beaucoup plus sévèrement.

Néanmoins, la découverte selon laquelle la résistance du VHCF diminue à température élevée souligne que la sélection d'un alliage basée uniquement sur les données S-N à température ambiante peut surestimer la durée de vie en fatigue des composants qui passent la majeure partie de leur durée de vie à chaud.

Pourquoi les alliages de nickel surpassent-ils souvent l'acier inoxydable en termes de corrosion-fatigue ?

Les alliages de nickel résistent aux attaques par piqûres et crevasses qui provoquent des fissures de fatigue par corrosion-dans l'acier inoxydable. C'est pourquoi les alliages de nickel sont fréquemment recommandés par rapport à l'acier inoxydable pour les composants chargés de manière cyclique dans l'eau de mer et d'autres environnements riches en chlorure-même lorsque les deux matériaux présentent une résistance à la fatigue similaire dans l'air sec.

Les fissures de fatigue nécessitent un point de départ, et dans un environnement corrosif, ce point de départ est très souvent une piqûre de corrosion plutôt qu'un défaut de fabrication. La résistance à la corrosion de l'acier inoxydable dépend d'un mince film passif d'oxyde de chrome-que les ions chlorure peuvent décomposer localement, initiant des piqûres qui agissent ensuite comme des concentrateurs de contraintes sous une charge cyclique - dégradant la résistance à la fatigue bien en dessous de sa valeur dans l'air sec-.

Les alliages de nickel à teneur plus élevée en chrome, molybdène et nickel résistent beaucoup plus efficacement à la dégradation localisée du film ; Les directives de l'industrie sur les alliages de fixations marines indiquent que certains alliages de nickel-cuivre et nickel-chrome-molybdène sont efficacement immunisés contre la corrosion par l'eau de mer et présentent une excellente résistance à la fatigue dans cet environnement, alors que des qualités d'acier inoxydable comparables peuvent nécessiter une protection cathodique pour fonctionner de manière fiable lorsqu'elles sont immergées. Pour un composant qui doit survivre à la fois à des millions de cycles de contraintes et à une exposition continue aux chlorures, cette résistance à la corrosion-fatigue est souvent le facteur décisif dans la sélection de l'alliage - et non la seule courbe S-N de l'air sec.

Comment les données S-N doivent-elles être appliquées à une conception de composants réels ?

Les ingénieurs de conception appliquent un facteur de sécurité à la courbe S-N, corrigent la contrainte moyenne réelle que le composant voit (la plupart des données S-N publiées sont entièrement inversées) et conçoivent en fonction de la résistance à la fatigue pertinente la plus basse -entaillée, corrodée ou élevée-température - plutôt que du meilleur-numéro de barre lisse-.

La plupart des données S-N publiées, y compris les valeurs de cet article, sont générées sous chargement entièrement inversé (cycle de contrainte égal entre tension et compression, contrainte moyenne de zéro). Les composants réels portent souvent une contrainte moyenne non nulle - - un arbre soumis à un couple constant et à des vibrations, un récipient sous pression qui ne se dépressurise jamais complètement. Les ingénieurs corrigent généralement cela en utilisant une relation de contrainte moyenne-telle que la ligne de Goodman, qui relie la contrainte alternée admissible à la fois à la résistance à la fatigue entièrement inversée et à la résistance à la traction ultime du matériau : à mesure que la contrainte moyenne augmente, la contrainte alternée que le composant peut tolérer en toute sécurité diminue.

Combiné avec un facteur de sécurité approprié et, le cas échéant, les ajustements de température -entaillés et élevés évoqués ci-dessus, cela transforme une courbe S-N de laboratoire en une conception utilisable admissible plutôt qu'un nombre tiré directement d'une fiche technique.

Pourquoi ne pouvez-vous pas comparer directement les courbes S-N provenant de différentes sources ?

Étant donné que la méthode d'essai, le rapport de contrainte, la géométrie de l'éprouvette et l'état de surface décalent tous une courbe S-N indépendamment de la chimie de l'alliage, deux indices de résistance à la fatigue pour le "même" alliage peuvent différer considérablement sans se tromper -, ils décrivent simplement des conditions d'essai différentes.

C'est la raison pratique de traiter n'importe quel numéro S-N, y compris ceux de cet article, comme une référence de départ plutôt que comme une baisse-de la valeur de conception : vérifiez toujours que le mode de chargement, le rapport de contrainte, l'état de l'éprouvette et la température des données sources correspondent à l'application réelle avant de les utiliser pour un calcul de durée de vie en fatigue.

Foire aux questions

Q : Les alliages de nickel ont-ils une limite d’endurance comme l’acier ?

R : Généralement pas au sens classique du terme. La plupart des superalliages de nickel présentent une courbe S-N en diminution continue et progressive plutôt qu'un genou plat et pointu, de sorte que leur résistance à la fatigue est généralement signalée à un nombre de cycles spécifique (souvent 10⁷ ou 10⁸) plutôt que comme une limite de durée de vie infinie inconditionnelle-.

Q : Quelle est la résistance à la fatigue de l’Inconel 625 ?

R : Les données publiées sur les feuilles d'Inconel 625 laminées à froid-recuites rapportent environ 620 MPa (90 000 psi) pour des éprouvettes lisses à 10⁸ cycles en flexion inversée, chutant à environ 241 MPa (35 000 psi) avec une concentration de contrainte modérée (Kt=3.3).

Q : Dans quelle mesure une encoche réduit-elle la résistance à la fatigue de l’alliage de nickel ?

R : Pour l'Inconel 625 avec un Kt de 3,3, la résistance à la fatigue publiée à 10⁸ cycles diminue d'environ 61 % par rapport à une éprouvette lisse - une illustration de la raison pour laquelle le congé et le filetage-la géométrie de la racine sont autant importants que la sélection de l'alliage dans la conception critique en fatigue-.

Q : La température réduit-elle la résistance à la fatigue des alliages de nickel ?

R : Les superalliages de nickel résistent généralement bien à des températures élevées dans le régime de cycles -élevés, mais les données publiées sur l'Inconel 718 montrent que la résistance à la fatigue diminue plus sensiblement à des températures élevées dans le régime de cycles très-élevé-au-dessus d'environ 10⁸ cycles.

Q : Pourquoi choisir un alliage de nickel plutôt que de l'acier inoxydable pour un composant marin chargé de manière cyclique ?

R : Dans les environnements riches en chlorure-, les piqûres de corrosion provoquent des fissures de fatigue. Les alliages de nickel résistent plus efficacement à cette dégradation localisée du film que de nombreuses qualités d'acier inoxydable, c'est pourquoi ils sont fréquemment spécifiés pour les composants d'eau de mer chargés de manière cyclique, même lorsque la résistance à la fatigue de l'air sec-est comparable.

Q : Puis-je comparer une valeur S-N d'une fiche technique directement à une autre ?

R : Seulement si le mode de chargement, le rapport de contrainte, l'état de surface de l'éprouvette et la température correspondent. Sinon, les deux chiffres décrivent des conditions d'essai différentes et ne sont pas directement comparables, même pour le même alliage.