La fatigue des matériaux

Un enjeu majeur pour la maintenance industrielle

Un phénomène discret mais critique

La fatigue des matériaux est à l’origine de nombreuses défaillances dans les équipements industriels. Elle se manifeste par l’apparition progressive de fissures sous l’effet de sollicitations répétées, souvent inférieures à la limite élastique du matériau. Ce phénomène peut conduire à une rupture brutale, sans signe avant-coureur, compromettant la sécurité des installations et la continuité des opérations.

Mécanismes de la fatigue

La fatigue se développe en trois phases :

• Initiation : apparition de microfissures dans des zones de concentration de contraintes (soudures, rayons de courbure, défauts de surface).
• Propagation : croissance des fissures sous l’effet des cycles de charge.
• Rupture : lorsque la fissure atteint une taille critique, la pièce cède.

La résistance des aciers à la fatigue dépend de leur composition et de leur traitement thermique. Les aciers inoxydables austénitiques et duplex ont un meilleur comportement que les aciers au carbone ferritiques et martensitiques à haute résistance, eux mêmes supérieurs aux aciers courants. 

Ce processus est influencé par la nature du matériau, l’environnement (corrosion, température), la fréquence des sollicitations et l’état de surface.

Impacts en maintenance

Dans le cadre du maintien en condition opérationnelle (MCO), la fatigue constitue un risque majeur, notamment sur les composants soumis à des efforts cycliques : arbres de transmission, structures métalliques, équipements sous pression, etc. Sa détection précoce et sa prévention sont essentielles pour éviter les arrêts non planifiés et garantir la fiabilité des installations.

La fatigue des matériaux reste un enjeu central pour les professionnels de la maintenance industrielle, notamment dans les secteurs soumis à des sollicitations mécaniques répétées.

Traitement thermique : un levier d’amélioration ciblé

Deux traitements thermiques ont été appliqués à l’acier ressort DIN 51CrV4 :

• HT1 : trempe à 870 °C suivie d’un revenu à 425 °C

• HT2 : trempe à 870 °C suivie d’un revenu à 475 °C

Le traitement HT1 a permis d’obtenir une dureté Rockwell plus élevée, ainsi qu’une meilleure résistance à la traction et une limite d’élasticité supérieure. Ces propriétés mécaniques renforcent la tenue en fatigue, bien que la ductilité soit légèrement réduite.

Modes de sollicitation : impact sur la limite de fatigue

Les essais comparatifs ont révélé que :

• Les échantillons orientés longitudinalement présentent une meilleure résistance à la fatigue.

• Le mode flexion rotative sur échantillons lisses génère une limite de fatigue environ deux fois supérieure à celle observée en traction-compression sur échantillons entaillés.

• Le traitement HT1 offre une limite de fatigue légèrement supérieure à HT2, quel que soit le mode d’essai.

Prévention et surveillance

Les stratégies de maîtrise de la fatigue incluent :

• Conception adaptée : limitation des concentrations de contraintes, choix de matériaux résistants.
• Traitements de surface : grenaillage, polissage, revêtements anticorrosion.
• Contrôles non destructifs : ressuage, émission acoustique, radiographie, ultrasons, courants de Foucault, analyse vibratoire, ...
• Maintenance préventive : remplacement anticipé des pièces critiques, suivi des cycles de charge.

Vers une maintenance prévisionnelle (predictive maintenance)

Un traitement thermique optimisé peut améliorer la résistance à la fatigue d’environ 8 %, en renforçant la dureté, la résistance à la traction et la limite d’élasticité. Ces résultats confirment l’importance d’une approche intégrée entre conception, métallurgie et stratégie de maintenance pour anticiper les défaillances et prolonger la durée de vie des équipements.

L’intégration de capteurs et de systèmes de surveillance permet aujourd’hui d’anticiper les phénomènes de fatigue. L’analyse des données en temps réel, couplée à des modèles de calcul, ouvre la voie à une maintenance prévisionnelle (predictive maintenance) plus efficace, réduisant les coûts et les risques.

Conclusion

La fatigue des matériaux est un enjeu transversal pour les responsables de maintenance. Sa compréhension et sa prise en compte dans les stratégies de maintenance conditionnelle et préventive sont indispensables pour garantir la sécurité, la performance et la durabilité des équipements industriels.

Sources : 
Article de Total Materia Horizon : "Fatigue of Metals" et

Gérard Neyret
Ingénieur des Arts et Manufactures et
Vice-Président d'honneur de l’AFIM​