Qu’est-ce que les contraintes résiduelles ?
Les contraintes résiduelles (CR) sont des contraintes qui subsistent dans les matériaux ou les composants en l’absence de charges externes. Elles peuvent provenir de différents procédés de fabrication et de conditions d’utilisation entraînant des déformations non uniformes, tels que le formage à froid (laminage ou tréfilage, dans le cas particulier des matériaux métalliques) ou les traitements de surface (« shot peening »), les soudures…
Pourquoi est-il important de connaître leur valeur ?
Lors de la conception de toute structure ou de tout composant, il est nécessaire de prendre en compte la valeur de la contrainte totale à laquelle le matériau sera soumis au cours de sa durée de vie en service. Cette contrainte comporte deux contributions : la contrainte appliquée (celle qui est calculée selon la conception du projet en cours) et la contrainte résiduelle, présente dans le matériau en l’absence de charges externes. Si cette valeur n’est pas prise en compte, il existe un risque de défaillances inattendues dans des conditions normales de service. Ces phénomènes sont particulièrement importants dans les composants et structures à haut risque, où peuvent se produire des ruptures fragiles ou des phénomènes de fissuration sous-critique, tels que la fatigue et la corrosion sous contrainte.
L’un des exemples où la mesure des contraintes résiduelles est critique est celui des matériaux conçus pour fonctionner sous charges cycliques. Dans certains composants, tels que les engrenages ou les arbres de transmission, le matériau est soumis à des contraintes résiduelles de compression par des traitements de surface afin de prolonger sa durée de vie en fatigue.
Un autre cas d’une grande importance concerne les fils d’acier. Lors du processus de laminage à froid, une distribution des contraintes se produit à travers la section transversale des fils, créant des zones en traction et des zones en compression.
Si le processus de tréfilage n’est pas correctement réalisé, les contraintes résiduelles générées dans le matériau peuvent dépasser sa plage de fonctionnement, mettant en danger son intégrité en service. Il est donc essentiel d’en connaître la valeur.x
Comment mesure-t-on les contraintes résiduelles ?
Les contraintes résiduelles sont calculées à partir des déformations résiduelles, qui peuvent être mesurées par des méthodes destructives et non destructives.
Dans les méthodes destructives, on mesure les déformations qui apparaissent lors de la relaxation du matériau (après la réalisation d’un perçage ou d’une découpe, par exemple).
À l’inverse, dans les méthodes non destructives, le matériau n’est pas altéré, de sorte que le composant peut être réutilisé après les essais. Parmi les méthodes non destructives, la plus utilisée est la diffraction des rayons X. Cette technique est celle utilisée par notre laboratoire pour réaliser ses essais.
Diffraction des rayons X
La diffraction des rayons X est un phénomène physique qui apparaît lors de l’interaction d’un faisceau de rayons X avec la matière cristalline.
En fonction de la longueur d’onde du faisceau de rayons X, pour certains plans cristallographiques, il se produit une diffusion cohérente du faisceau ainsi qu’une interférence constructive des ondes en phase due à la diffraction sur différents plans cristallographiques. Ainsi, une diffusion du faisceau se produit dans certaines directions de l’espace.
Ce phénomène peut être décrit à l’aide de la loi de Bragg, qui relie la distance interplanaire des familles de plans où se produit la diffraction à la direction de l’espace dans laquelle a lieu l’interférence constructive.
n λ = 2 d sen θ
Mesure des contraintes résiduelles
Lorsqu’un matériau est dans un état sans contrainte, c’est-à-dire qu’aucune contrainte n’agit sur sa structure, la distance entre les plans cristallographiques n’est pas modifiée et possède une valeur constante connue.
Cependant, lorsque cette structure cristalline est modifiée par l’application d’une contrainte (qu’elle soit due à des charges externes ou à des contraintes résiduelles intrinsèques au matériau), la distance interplanaire change et, par conséquent, la direction dans laquelle la diffraction se produit varie également.
À l’aide d’un diffractomètre, il est possible de mesurer cette direction et, connaissant le matériau analysé, de déterminer les variations de la distance interplanaire, lesquelles entraînent une déformation des grains cristallins du matériau. Grâce à la loi de Hooke, il est possible de relier cette déformation aux valeurs de contrainte agissant sur le matériau.
