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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUmM! MEMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CH

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUmM! MEMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIM! COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN INGÉNIERIE PAR PHILIP MALTAIS, ING. DÉVELOPPEMENT D'UNE MÉTHODE DE PREDICTION DE LA DURÉE DE VIE EN FATIGUE DE STRUCTURES TUBULAIRES SOUDÉES EN ALUMINIUM SEPTEMBRE 2008 bibliothèque Paul-Emile-Bouletj UIUQAC Mise en garde/Advice Afin de rendre accessible au plus grand nombre le résultat des travaux de recherche menés par ses étudiants gradués et dans l'esprit des règles qui régissent le dépôt et la diffusion des mémoires et thèses produits dans cette Institution, l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) est fière de rendre accessible une version complète et gratuite de cette œuvre. Motivated by a desire to make the results of its graduate students' research accessible to all, and in accordance with the rules governing the acceptation and diffusion of dissertations and theses in this Institution, the Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) is proud to make a complete version of this work available at no cost to the reader. L'auteur conserve néanmoins la propriété du droit d'auteur qui protège ce mémoire ou cette thèse. Ni le mémoire ou la thèse ni des extraits substantiels de ceux-ci ne peuvent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation. The author retains ownership of the copyright of this dissertation or thesis. Neither the dissertation or thesis, nor substantial extracts from it, may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. AVANT-PROPOS Ce travail de recherche a été réalisé dans le cadre d'un projet de maîtrise à incidence industrielle en partenariat entre Cycles Devinci inc., l'Université du Québec à Chicoutimi et le Centre des technologies de l'aluminium (CTA) du Conseil national de recherches Canada (CNRC). Le financement nécessaire à ce projet a été obtenu par l'entremise d'une bourse d'études supérieures à incidence industrielle (ESII) du Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), incluant la participation financière de l'entreprise partenaire. Le programme de bourse PARU du Centre québécois de recherche et développement de l'aluminium (CQRDA) a également contribué au financement du projet. Les équipements spécialisés nécessaires à la réalisation du projet ont été fournis par les trois partenaires. Cycles Devinci a fournit les échantillons et le montage expérimental, le Centre universitaire de recherche sur l'aluminium (CURAL) a fournit une station de calcul, tandis que les équipements nécessaires à l'étude métallurgique ont été prêtés par le CTA. RESUME Ce travail de recherche a pour objectif de développer une méthode pratique de prédiction de la durée de vie en fatigue de structures d'aluminium tubulaires soudées à parois minces. Cette étude étant réalisée en partenariat avec Cycles Devinci inc., la méthode est appliquée spécifiquement au dimensionnement des cadres de vélo. Une analyse métallurgique effectuée sur un échantillon de cadre de vélo fissuré en conditions réelles d'utilisation démontre qu'il s'agit bien d'un cas de fatigue amorcé dans la zone de concentration de contrainte située au pied du rayon de raccordement du cordon de soudure. Un modèle de calcul des contraintes locales aux joints soudés par éléments finis est développé, puis appliqué à des essais de fatigue sur des structures soudées simples en forme de « T ». Une courbe S-N de contrainte locale est ainsi obtenue. La méthode de calcul des contraintes et la courbe de fatigue sont validées par des essais de fatigue à amplitude constante sur des structures en T plus complexes et des cadres de vélo. Les résultats démontrent la pertinence d'utiliser des structures simples et un modèle de calcul des contraintes locales pour le développement de la méthode. La méthode est ensuite appliquée à l'estimation de la durée de vie en fatigue sous chargement d'amplitude variable. Les résultats montrent que la règle de Miner linéaire donne des estimations conservatrices de la durée de vie sous amplitude variable. La règle de Miner non-linéaire avec un exposant de 1,062 permet des prédictions plus précises. Suite à son développement et à sa validation, la méthode en son ensemble est appliquée à l'estimation de durée de vie d'un cadre de vélo de route Devinci. Les résultats prouvent l'efficacité de la méthode proposée, mais également la nécessité de valider les calculs de durée de vie par des essais en laboratoire. Finalement, des recommandations sont proposées afin d'optimiser la méthode et de faciliter son application à l'intérieur du processus de conception des cadres de vélo chez Cycles Devinci. Ainsi, la méthode développée au cours de ce projet permet d'estimer de façon pratique et plutôt précise la durée de vie en fatigue de structures d'aluminium tubulaires soudées sous chargement complètement alterné d'amplitude constante ou variable. REMERCIEMENTS Je tiens tout d'abord à remercier mon employeur, Cycles Devinci, qui m'a permis de compléter des études de maîtrise en me libérant de mon horaire de travail habituel au cours des deux dernières années, en plus de contribuer monétairement à ma bourse d'étude et de me laisser utiliser son laboratoire d'essais de fatigue. Je tiens à remercier spécialement mon supérieur immédiat, monsieur Bruno Gauthier, pour la patience et la compréhension dont il a fait preuve tout au long de ce projet et ce, malgré les difficultés qu'il a rencontré à cause de mon absence du bureau. J'aimerais également remercier mon directeur de recherche, monsieur Daniel Marceau, ainsi que mon codirecteur, monsieur Laurent Bûcher. Leurs judicieux conseils et leur expertise respective m'ont été très utiles tout au long de ce projet. Je tiens aussi à signaler ma plus grande gratitude envers monsieur Bûcher pour avoir si bien su me transmettre son intérêt pour la métallurgie. De plus, je me dois de souligner l'aide du Centre universitaire de recherche sur l'aluminium (CURAL) de l'UQAC pour m'avoir donné accès à un ordinateur de calcul. Je suis également très reconnaissant envers le Centre des technologies de l'aluminium qui m'a fournit un environnement de travail optimal et qui m'a laissé utiliser ses équipements de caractérisation métallurgique. Je suis également très reconnaissant envers les organismes subventionnaires qui ont financé mes études de maîtrise, soit le CRSNG et le CQRDA. Sans leur soutient financier, je n'aurais pas été en mesure de compléter des études de maîtrise. Finalement, je m'en voudrais de ne pas remercier celle avec qui je partage ma vie, Nadine Leclerc, pour sa patience, sa compréhension, son soutient et ses encouragements tout au long des deux dernières années. IV TABLE DES MATIERES AVANT-PROPOS ii RÉSUMÉ iii REMERCIEMENTS iv LISTE DES FIGURES ix LISTE DES TABLEAUX xi 1 INTRODUCTION 12 1.1 Mise en contexte 12 1.2 Problématique 13 1.3 Objectifs 14 2 REVUE DE LITTÉRATURE 16 2.1 Fatigue des métaux : généralités 16 2.1.1 Définitions 16 2.1.2 Comportement d'un matériau en fatigue : courbe de Wôhler 17 2.1.3 Domaines de fatigue 19 2.1.4 Phases d'endommagement par fatigue 20 2.2 Philosophies de conception en fatigue 21 2.3 Types de chargement 22 2.3.1 Amplitude constante 22 2.3.2 Amplitude variable 23 2.3.3 Notion de proportionnalité et de phase 23 2.4 Facteurs influençant la durée de vie en fatigue 24 2.4.1 Facteurs mécaniques 24 2.4.2 Facteurs géométriques 26 2.4.3 Contraintes résiduelles 26 2.4.4 Facteurs environnementaux 27 2.4.5 Facteurs métallurgiques 28 2.5 Fatigue des joints soudés 29 2.5.1 Procédés de soudage 29 2.5.2 Facteurs influençant la durée de vie en fatigue des joints soudés 30 2.5.3 Amélioration de la tenue en fatigue des joints soudés 32 2.6 Méthodes d'estimation de la durée de vie en fatigue 33 2.6.1 Approche de la contrainte nominale 34 2.6.2 Approche de la contrainte géométrique (hot-spot ou structural stress) 35 2.6.3 Approche de la contrainte locale (local stress/strain approach) 36 2.6.4 Approche de la mécanique de la rupture (LEFM) 40 2.6.5 Résumé des différentes méthodes 42 2.6.6 Dommage cumulatif (chargement d'amplitude variable) 43 2.7 Calcul des contraintes 45 2.7.1 Méthode analytique 45 2.7.2 Méthode des éléments finis 45 2.7.3 Méthode expérimentale 48 2.8 Méthodologie des essais de fatigue 50 2.8.1 Obtention d'une courbe S-N (essais à amplitude constante) 50 2.8.2 Essais à amplitude variable 51 2.8.3 Facteurs influençant la représentativité des essais 53 2.8.4 Aspects statistiques 53 3 MÉTHODOLOGIE DE RECHERCHE PROPOSÉE 55 3.1 Étape 1 : Analyse métallurgique d'un cas typique 56 3.2 Étape 2 : Calcul des contraintes aux joints soudés ........56 3.3 Étape 3 : Essais de fatigue à amplitude constante 57 3.4 Étape 4 : Essais de fatigue à amplitude variable 58 3.5 Étape 5 : Optimisation et validation de la méthode 59 4 ANALYSE MÉTALLURGIQUE D'UN ÉCHANTILLON FISSURÉ 61 4.1 Description de la pièce d'origine 61 4.1.1 Description générale 61 4.1.2 Procédé de fabrication 62 4.1.3 Matériaux utilisés 62 4.2 Description de l'échantillon à l'étude 63 4.2.1 Présentation de l'échantillon 63 4.2.2 Préparation de l'échantillon en vue de l'analyse 65 4.3 Analyse au microscope optique 65 4.3.1 Analyse qualitative de la soudure 65 V I 4.3.2 Analyse de la microstructure 68 4.3.3 Analyse de la fissure 69 4.4 Analyse à la microsonde 70 4.5 Caractérisation de la dureté 71 4.6 Conclusions de l'étude 73 5 CALCUL DES CONTRAINTES AUX JOINTS SOUDÉS 76 5.1 Caractérisation géométrique des soudures 76 5.2 Technique de modélisation des soudures 79 5.3 Calcul des contraintes par la méthode des uploads/Ingenierie_Lourd/ 030055980.pdf