Le rôle de la fatigue dans les ruptures de pièces métalliques
SOUDAIN, sans prévenir, la mort et la destruction frappent un héliport qui se trouve au sommet du Pan Am Building, immeuble de 58 étages situé au centre de Manhattan, à New York. Un hélicoptère qui vient d’embarquer des passagers pour l’aéroport international John Kennedy se met à chavirer. En quelques secondes, ses pales, telles des cimeterres géants, frappent quatre passagers. Trois meurent sur le coup et le dernier succombera à l’hôpital. En se brisant, les pales projettent des plaques de métal un peu partout. Des tôles tombées sur Madison Avenue tuent une femme et en blessent une autre. Quelle est la cause de cette catastrophe? L’enquête fera apparaître qu’il s’agit d’un phénomène appelé fatigue du métal.
Il nous faut maintenant évoquer un autre accident. Une automobile roule sur un pont au-dessus de la mer. Soudain, la voiture fait une embardée et plonge dans l’océan. Heureusement les deux passagères pourront être sauvées grâce à un médecin et à un plongeur qui se trouvaient sur les lieux. L’accident est venu de ce qu’une partie de la direction avait cédé, là aussi par fatigue du métal, comme un examen le confirmera rapidement peu après.
Le drame de l’héliport de New York, l’effondrement du Silver Bridge, la disparition des premiers avions Comet britanniques au-dessus de la Méditerranée, tous ces accidents étaient dus, pense-t-on aujourd’hui, à la fatigue du métal.
La fatigue du métal a ceci de commun avec le cancer que plus son dépistage est précoce, moins ses conséquences sont graves, encore que, là aussi, la “guérison” soit difficile et souvent précaire. D’autre part, les accidents font souvent disparaître toute marque qui permettrait d’identifier la cause du mal, ou bien ces marques passent inaperçues à cause du manque de spécialistes compétents parmi les enquêteurs.
La structure microscopique du métal
Pour comprendre comment les métaux peuvent céder à la fatigue, il faut examiner leur structure interne. Depuis l’époque de Tubal-Caïn, le premier métallurgiste de l’Histoire, jusqu’à ces tout derniers temps, on ne comprenait pas pleinement les causes du phénomène (Gen. 4:22). Il n’y a pas très longtemps qu’une meilleure connaissance de la structure atomique des métaux a permis de trouver une explication plausible. Même aujourd’hui, quand une lame de ressort ou un essieu casse, on entend encore des gens expliquer que cela provient d’une cristallisation à cet endroit, interprétation qui ne tient pas quand on sait que la matière était déjà cristallisée avant la rupture.
Lorsque le métal commence à refroidir et à se solidifier, il se forme de minuscules cristaux qui croissent en taille et en nombre jusqu’à ce que toute la masse se soit cristallisée. Toutefois, hormis dans les métaux extrêmement purs, il y a souvent des substances étrangères qui ne s’allient pas à la structure cristalline normale du métal. Ces impuretés se fixent entre les cristaux, au “joint des grains”, ou bien se répartissent dans le métal sous forme d’“inclusions”. La structure du métal fondu devient hétérogène au cours du refroidissement et présente même des lacunes, des vides par endroits. Bien qu’on puisse employer le métal refroidi sous cette forme “brute de fonderie”, on lui fait généralement subir d’autres opérations, telles que le forgeage, le laminage, l’emboutissage, l’usinage et le meulage, opérations préliminaires qui sont souvent suivies de bien d’autres. Or, chacune de ces opérations joue un rôle dans la fatigue du métal.
L’apparition de la fatigue
Si l’on exerce une traction aux extrémités d’une barre de métal, on peut appliquer au moins une fois une contrainte proche de la charge de rupture théorique. Par contre, si on la soumet à plusieurs reprises à un effort suffisamment élevé pour qu’apparaissent des fissures ou criques de fatigue, elle perd de sa résistance à la rupture et il suffira d’appliquer une traction continue pour provoquer au bout d’un certain temps la rupture de la barre. Cette diminution de ténacité s’explique par la structure moléculaire du métal. Des tractions répétées peuvent provoquer un glissement ou un cisaillement léger dans certains cristaux et faire glisser deux plans d’atomes l’un sur l’autre. Certains plans cristallins offrent moins de résistance que d’autres à ce genre de glissements, un peu comme dans un paquet où certaines cartes glissent plus facilement que les autres. En général, les cristaux sont orientés au hasard et il suffit d’une irrégularité dans la disposition des atomes pour qu’un premier glissement se déclenche, irrégularité qui peut être due à une inclusion, à une lacune, ou encore à une contrainte supérieure à la limite de cisaillement. La multiplication des contraintes détermine de proche en proche toute une série de glissements ou dislocations qui aboutissent à ce que le cristal se fragmente et produise une crique. Les fissures s’étendent jusqu’à ce que le métal ne puisse plus supporter les efforts qui lui sont imposés. C’est alors que se produit la rupture de fatigue.
Il y a encore d’autres explications à l’origine de la fatigue du métal. Par exemple, une fissure minuscule peut également s’amorcer au “joint du grain”. Certaines réactions chimiques accélèrent la nucléation de criques. En fait, bien qu’on ait réussi à identifier plusieurs causes de fatigue, il reste encore beaucoup à apprendre. Quoi qu’il en soit, on aboutit toujours à un affaiblissement de la structure interne du métal, provoqué par de minuscules fissures consécutives aux contraintes imposées à la pièce.
À quoi se reconnaît une rupture par fatigue?
Il y a des cas où il faut une grande expérience pour attribuer une rupture à la fatigue, mais il est utile de connaître certains symptômes courants. D’abord, on sait que la fatigue est un processus à manifestation progressive et que la propagation des fissures se fait par à-coups, en formant un dessin en “coquille d’huître” parfois très visible sur une pièce cassée. Ce dessin représente des demi-cercles irréguliers et concentriques dont le centre est le point de départ de la rupture. Chaque fois qu’il apparaît à l’endroit d’une rupture, ce dessin atteste que la fatigue est vraisemblablement à l’origine de la cassure.
Comment tenir compte de la fatigue du métal dans la conception d’une machine
Avec l’avènement de la révolution industrielle, on se mit à construire des moteurs à vapeur et des locomotives de plus en plus puissants. C’est alors qu’on commença à remarquer d’inexplicables ruptures dans certains organes mécaniques. L’Allemand August Wöhler fut l’un des premiers à identifier la fatigue du métal derrière ces défaillances et à consigner ses découvertes par écrit. Il alla même plus loin et fit la démonstration du phénomène sur des essieux de locomotive. Bien que nos connaissances sur la fatigue du métal remontent à cette époque-là, le public ne l’a découverte qu’au temps des premières automobiles et de la Première Guerre mondiale, surtout à la suite des ruptures de fatigue survenues sur les vilebrequins, les essieux et les ressorts des voitures.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, on accumula de nouvelles données sur la fatigue du métal. Avec la vogue de l’aviation on étudia de près la ténacité, le poids et la fatigue des métaux. Aujourd’hui, devant la multiplication des avions et des hélicoptères, leur construction et leur sécurité font l’objet de contrôles poussés. L’État ainsi que des firmes commerciales financent la recherche appliquée à ce domaine, et les maquettes et les prototypes sont étudiés à l’aide d’appareils perfectionnés.
Tous ces travaux ont abouti à l’amélioration des manuels de construction, dans lesquels on trouve maintenant les limites de résistance à la fatigue classées par matériaux, ce qui offre une meilleure garantie de sécurité. À titre d’exemple, vous pouvez vous reporter à l’illustration qui accompagne cet article. Tous ces détails pourraient laisser croire que le problème est résolu et qu’il suffit de travailler à l’intérieur des limites de sécurité pour ne plus s’inquiéter de la fatigue du métal, mais il n’en est rien.
En effet, les chiffres et les renseignements qui sont à notre disposition ne s’appliquent pas à tous les cas. On ne sait pas prévoir avec certitude la totalité des efforts que subira un organe métallique au cours de son fonctionnement. Ces contraintes sont souvent complexes et font intervenir simultanément des forces de traction, de compression et de flexion. De plus, il faut savoir dans quel ordre les contraintes légères alternent avec les efforts importants, si l’on veut avoir une idée du moment où la fatigue apparaîtra. La plupart des renseignements ont été obtenus à la suite de travaux sur des matériaux que l’on pourrait qualifier de “simples”, en ce sens qu’ils ne font intervenir qu’une traction uniforme, sans concentration d’effort sur des trous, des encoches, des rivets ou des soudures, qui présentent tous l’inconvénient de réduire la résistance du métal à la fatigue. Même dans ces cas simples, les propriétés des matériaux varient considérablement en fonction de la dimension des cristaux, du nombre et du type des inclusions, de la dureté du métal et des tensions internes qui s’y manifestent. Cela ne fait que compliquer les problèmes de l’élaboration et de la fabrication.
La solution des problèmes qui se posent en cours d’élaboration ou de fabrication
Beaucoup de machines et d’appareils du commerce sont conçus et fabriqués avec l’idée que certains organes se détérioreront à l’usage. Par exemple, certains organes d’une automobile sont prévus pour tenir 150 000 kilomètres. Passée cette limite, l’intérieur sera usé et la carrosserie rouillée et abîmée. Dans les avions c’est autre chose, car l’amélioration de la résistance à la fatigue est tributaire du problème du poids. Il serait peut-être avantageux d’employer plus de métal, mais tout excédent joue sur le poids utile et les réserves de carburant.
Certaines machines mettent en jeu des vies humaines ou des biens. Dans ce cas il est impératif d’éviter tout accident grave. On pallie le problème, d’une part en prévenant les défaillances mécaniques, d’autre part en renforçant les sécurités en cas de panne.
Pour prévenir les défaillances mécaniques, on utilise simultanément plusieurs composants pour subir un effort donné, de sorte que si l’un cède, les autres peuvent quand même tenir jusqu’à ce qu’on fasse les réparations. Une autre technique consiste à renforcer l’organe par une partie plus épaisse qui absorbera les contraintes supplémentaires. Dans cette perspective, il est indispensable de procéder régulièrement à l’inspection des organes des machines.
Il n’est pas toujours possible d’employer ces méthodes. Par exemple, on ne peut pas doubler un arbre de transmission pour faire absorber les contraintes trop élevées par des organes supplémentaires. En ce cas il faut utiliser du matériel très résistant, dûment testé, et dont on a surveillé de près aussi bien la production que l’assemblage.
Parfois on peut à la fois prévenir les défaillances mécaniques et utiliser du matériel renforcé. Mais, là encore, il faut faire des inspections aussi souvent que possible. L’accessoire qui a cassé dans l’hélicoptère posé sur le toit du Pan Am Building devait être inspecté à 9 900 heures, mais, d’après le rapport d’enquête, il n’avait que 7 000 heures au moment de la rupture. Par conséquent, si l’on ne prévoit pas des inspections assez fréquentes, on court au-devant d’une catastrophe.
Techniques spéciales de protection
Il existe certaines techniques de prévention des ruptures par fatigue. Leur prix, l’ignorance, le manque d’installations ou l’inadaptation à un usage particulier font qu’on ne les emploie pas toujours. À ces techniques il faut adjoindre certains moyens de pressentir une rupture imminente.
L’une des techniques de prévention les plus employées est le grenaillage, dont le résultat est d’écrouir et de durcir la surface de la pièce. Comme les ruptures de fatigue se produisent généralement quand l’organe est soumis à des forces de traction minimes mais répétées, le grenaillage permet de garder la surface de la pièce dans les limites de sa tension élastique.
Il y a aussi l’“autofrettage”. Employé à l’origine sur les canons, ce procédé s’est étendu à bien d’autres applications. Son principe est de dépasser la limite d’élasticité d’une pièce aux endroits où elle est cerclée de frettes. Quand la pression est supprimée, ces endroits sont comprimés sous l’effet de la tension élastique de leur cerclage, offrant ainsi une protection supplémentaire et une sécurité d’exploitation très grande.
Le dépassement de la limite d’élasticité de la pièce présente d’autres avantages si on l’effectue avant de la mettre en service, particulièrement quand elle comporte des fixations, telles que des joints rivés. Du fait que les trous n’ont pas toujours la dimension voulue, certains rivets supportent presque toutes les contraintes. Toutefois, si on dépasse les limites d’élasticité de l’assemblage, les zones trop sollicitées cèdent et les contraintes se répartissent uniformément.
Bien d’autres techniques permettent de prévenir les ruptures de fatigue. Toutes s’avèrent utiles, que ce soit l’élimination des tensions internes après soudage ou le polissage des trous et des cavités pour empêcher l’apparition de contraintes particulières à ces endroits.
Avez-vous un rôle à jouer?
Bien que, du bureau d’étude à la chaîne de production, tous se soient préoccupés de prévenir les ruptures, vous pouvez vous aussi contribuer à les éviter, à condition d’appliquer ces quelques conseils:
1. Respectez les recommandations sur les charges et la vitesse d’utilisation de votre matériel.
2. Quand vous procédez à des réparations, veillez à ne pas faire de rayures, d’entailles ou de marques de lime aux endroits fragiles de votre matériel.
3. Évitez la surchauffe de vos appareils, car cela diminue la dureté et la résistance utile du métal.
4. Protégez le métal contre la rouille et la corrosion.
5. Protégez les organes actifs de vos appareils contre les produits chimiques, tels que les acides, car ils font pénétrer de l’hydrogène atomique dans certains métaux, ce qui les rend plus fragiles et risque de faire apparaître des ruptures précoces. En outre, les produits chimiques sont à l’origine d’une corrosion sous tension.
Les accidents dus à la fatigue
Pourra-t-on éviter les accidents dus à la fatigue du métal? Oui, avec le temps.
Les accidents sont souvent causés par l’égoïsme, l’ignorance et l’insouciance. Parfois un désir excessif de gain, un manque d’informations au niveau de la conception et l’insouciance du fabricant sont à l’origine des ruptures de fatigue. Mais le nouveau système de choses que Dieu a promis est proche et il éliminera toutes les formes d’égoïsme. La connaissance augmentera, entre autres dans le domaine de la technique. À cela il faut ajouter que ceux qui fabriqueront et emploieront le matériel penseront à la sécurité de leur prochain.
[Graphique, page 19]
(Voir la publication)
Effort maximum, en kg par cm carré
Zone théorique de rupture
Limite de fatigue
Zone de sécurité
500 000
1 000 000
Nombre de sollicitations cycliques qui entraînent une rupture.
Courbe de fatigue de Wöhler.
[Illustration, page 19]
DESSIN EN COQUILLE D’HUÎTRE