Usure
409
Si le niveau des contraintes reste inférieur aux valeurs critiques de plastification, la répétition des sollicitations s’appliquant à des volumes réduits de matière
peut conduire à des phénomènes de fatigue superficielle. Ceux-ci se manifestent
physiquement sous forme de modifications structurales et par l’apparition de fissures s’amorçant en sous-couche ou en surface en des sites qu’il n’est pas toujours
facile de prévoir. Ces fissures aboutissent à terme à des piqûres ou écaillages qui
peuvent nuire gravement au fonctionnement du système et même engager un processus divergent aboutissant à une rupture catastrophique. Les endommagements
dus à la fatigue de contact peuvent être répartis en deux familles suivant leur cause
principale: fatigue d’origine mécanique et fatigue d’origine thermique.
24.5.2 Fatigue mécanique
La fatigue mécanique est liée à l’application répétée des contraintes sur la zone
de contact. On la rencontre typiquement dans les contacts de type hertzien des systèmes de transmissions d’énergie ou d’effort (engrenages, contacts cames/
poussoirs...), ou de guidage (roulements, contact roue/rail...) sollicités en roulement, ou roulement + glissement. Elle peut aussi apparaître lors de l’impact répété
d’une surface par des particules solides ou des fluides qui peuvent générer des
contraintes plus ou moins cycliques dans les couches superficielles, ou encore, à une
échelle microscopique, lors du contact répété d’aspérités sur des surfaces solides en
mouvement relatif. L’évolution de la fatigue de contact comporte plusieurs phases.
Tout d’abord, on observe une phase d’incubation qui se traduit par l’apparition
de transformations microstructurales. Ce sont des modifications de la structure du
matériau liées aux chargements répétés. Elles apparaissent principalement dans les
alliages et les matériaux multiphasés dans lesquels les phases les moins stables
auront tendance à se transformer. Ces transformations sont souvent accélérées par la
présence d’inclusions dures qui provoquent des surcontraintes localisées.
Un exemple connu est celui de l’apparition de zones sombres ou de bandes
blanches dans des régions de cissions maximales pour certains aciers à roulements.
Le processus de transformation est le suivant: première étape, apparition de zones
sombres ou Dark Etching Areas (D.E.A.), deuxième étape, pour un nombre de
cycles plus important, apparition de bandes blanches ou White Etching Areas
(W.E.A.) dont l’orientation et la longueur sont caractéristiques de la sollicitation.
Ces bandes, révélées par des réponses différentielles aux réactifs d’attaque, sont
constituées de ferrite très écrouie avec une structure très fine, contenant des carbures lenticulaires. Sur ces mêmes aciers, on observe des «ailes de papillon» orientées à 45˚ par rapport à la surface autour d’inclusions non métalliques ou de carbures. Le mécanisme commun à toutes ces transformations est la migration de carbone
sous l’effet des contraintes, qui se corrèle avec la modification des propriétés
mécaniques.
Dans une deuxième phase apparaissent des décohésions qui se manifestent par
des microfissures.
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Si le niveau des contraintes reste inférieur aux valeurs critiques de plastification, la répétition des sollicitations s’appliquant à des volumes réduits de matière
peut conduire à des phénomènes de fatigue superficielle. Ceux-ci se manifestent
physiquement sous forme de modifications structurales et par l’apparition de fissures s’amorçant en sous-couche ou en surface en des sites qu’il n’est pas toujours
facile de prévoir. Ces fissures aboutissent à terme à des piqûres ou écaillages qui
peuvent nuire gravement au fonctionnement du système et même engager un processus divergent aboutissant à une rupture catastrophique. Les endommagements
dus à la fatigue de contact peuvent être répartis en deux familles suivant leur cause
principale: fatigue d’origine mécanique et fatigue d’origine thermique.
24.5.2 Fatigue mécanique
La fatigue mécanique est liée à l’application répétée des contraintes sur la zone
de contact. On la rencontre typiquement dans les contacts de type hertzien des systèmes de transmissions d’énergie ou d’effort (engrenages, contacts cames/
poussoirs...), ou de guidage (roulements, contact roue/rail...) sollicités en roulement, ou roulement + glissement. Elle peut aussi apparaître lors de l’impact répété
d’une surface par des particules solides ou des fluides qui peuvent générer des
contraintes plus ou moins cycliques dans les couches superficielles, ou encore, à une
échelle microscopique, lors du contact répété d’aspérités sur des surfaces solides en
mouvement relatif. L’évolution de la fatigue de contact comporte plusieurs phases.
Tout d’abord, on observe une phase d’incubation qui se traduit par l’apparition
de transformations microstructurales. Ce sont des modifications de la structure du
matériau liées aux chargements répétés. Elles apparaissent principalement dans les
alliages et les matériaux multiphasés dans lesquels les phases les moins stables
auront tendance à se transformer. Ces transformations sont souvent accélérées par la
présence d’inclusions dures qui provoquent des surcontraintes localisées.
Un exemple connu est celui de l’apparition de zones sombres ou de bandes
blanches dans des régions de cissions maximales pour certains aciers à roulements.
Le processus de transformation est le suivant: première étape, apparition de zones
sombres ou Dark Etching Areas (D.E.A.), deuxième étape, pour un nombre de
cycles plus important, apparition de bandes blanches ou White Etching Areas
(W.E.A.) dont l’orientation et la longueur sont caractéristiques de la sollicitation.
Ces bandes, révélées par des réponses différentielles aux réactifs d’attaque, sont
constituées de ferrite très écrouie avec une structure très fine, contenant des carbures lenticulaires. Sur ces mêmes aciers, on observe des «ailes de papillon» orientées à 45˚ par rapport à la surface autour d’inclusions non métalliques ou de carbures. Le mécanisme commun à toutes ces transformations est la migration de carbone
sous l’effet des contraintes, qui se corrèle avec la modification des propriétés
mécaniques.
Dans une deuxième phase apparaissent des décohésions qui se manifestent par
des microfissures.