Le Dr Christoph Leser a près de 30 ans d’expérience en tant que chercheur, ingénieur d’essais, ingénieur d’application et conseiller en matière d’essais. Il est également président d’un sous-comité de l’ASTM. Dans cet article, il explique comment les chercheurs en matériaux peuvent obtenir des résultats cohérents lors des essais de fatigue thermomécanique (TMF).
Q : Pourquoi les essais TMF suscitent-ils de plus en plus d’intérêt ?
R : À l’heure actuelle, deux des domaines les plus passionnants de la R&D sur les matériaux sont liés aux turbines utilisées dans l’aérospatiale et la production d’électricité. Dans les deux cas, les concepteurs dépassent toutes les attentes en termes d’efficacité opérationnelle et de fiabilité. Pour ce faire, ils ont besoin de composants et de structures de turbine capables de résister à des températures plus élevées pendant des périodes prolongées, et ce dans différentes conditions de charge cyclique. Parmi les matériaux étudiés, nous pouvons citer les superalliages innovants, les matériaux composites à matrice céramique, les revêtements en céramique, etc. L’étude de la réaction de ces matériaux face aux changements simultanés de température et de charge fait de la TMF une partie essentielle du processus de R&D.
Q : Pouvez-vous décrire les mécanismes et les objectifs des essais TMF ?
R : Les essais TMF sont un type d’essais de fatigue qui simulent le plus fidèlement possible les conditions de service réelles des composants techniques. Plus précisément, les essais TMF caractérisent la réponse des matériaux à une charge mécanique cyclique et à une température fluctuante simultanées, qui entraînent une réponse synergique difficile à prévoir à l’aide d’essais de fatigue isotherme. Les données issues des essais TMF aident les chercheurs à modéliser le comportement des composants et à valider les modèles existants dans un environnement d’essai contrôlé.
Q : Quels sont les défis uniques des essais TMF ?
R : La TMF peut s’avérer complexe, car elle utilise des cycles mécaniques et thermiques en phase et hors phase. Le déphasage entre la déformation induite par la température et d’origine mécanique laisse la porte ouverte à de nombreuses interprétations du comportement des matériaux. Vous devez appliquer la chaleur à l’aide des méthodes par rayonnement ou par induction, ce qui peut nécessiter un refroidissement. Les équipements d’essai et les dispositifs de fixation doivent pouvoir résister à des températures élevées. Il est difficile de capturer des données précises, car les systèmes de haute précision se comportent différemment à très haute température. Le type de matériau à tester influe sur chaque configuration, et il existe de nombreuses options pour l’instrumentation, le chauffage, le refroidissement et le montage. Pour toutes ces raisons, les essais TMF ont tendance à être personnalisés et complexes.
Q : Compte tenu de cette complexité, comment les chercheurs peuvent-ils espérer obtenir des résultats cohérents d’un essai à l’autre et d’un laboratoire à l’autre ?
R : Les normes d’essais, telles que les normes ISO 12111 et ASTM E2368, décrivent les meilleures pratiques pour caractériser les matériaux soumis à des charges thermiques et mécaniques simultanées. En outre, le Code de pratique européen validé pour les essais de fatigue thermomécanique sous déformation, qui a été créé par un consortium de partenaires internationaux, est lui aussi une excellente ressource pour établir la cohérence des essais. Comme je l’ai mentionné, l’un des grands défis de la TMF est que la déformation totale comprend des composantes thermiques et mécaniques, et qu’il faut en connaître la distribution précise. Pour cette raison, le Code de pratique réduit la commande de transition de phasage à deux possibilités : les cycles en phase (déformation maximale à la température maximale) et hors phase (déformation maximale à la température minimale). Le Code comprend également toutes les étapes nécessaires à la réalisation des essais, de l’étalonnage à la communication des données.
Q : Comment les chercheurs peuvent-ils être sûrs qu’ils respectent les exigences du Code de pratique ?
R : Les chercheurs peuvent respecter le Code, et faire face à la complexité des essais TMF, grâce à des solutions logicielles avancées. MTS propose un modèle de TMF pour le logiciel MTS TestSuite™ Multipurpose pour les essais conformes aux normes ASTM et ISO, ainsi qu’au Code de pratique européen validé pour les essais de fatigue thermomécanique sous déformation. Le modèle est totalement transparent et donne un aperçu complet de ses algorithmes et de ses calculs. Les chercheurs peuvent donc l’utiliser pour interpréter les normes de différentes manières et le modifier pour obtenir de nouvelles informations. Une telle flexibilité leur permet d’effectuer de nombreux essais TMF différents pour un large éventail de matériaux et de géométries d’échantillons.
Q : Quelles sont les caractéristiques du modèle et du logiciel qui sont particulièrement adaptées aux essais TMF ?
R : Chaque tâche du Code de pratique est représentée dans le modèle par un bouton du panneau de commande, et chaque bouton est défini par un bloc de programme que l’utilisateur peut modifier. Pour faire simple, l’utilisateur peut modifier ce qu’il voit. Cela s’applique aux calculs et au déroulement des essais, ainsi qu’à la représentation visuelle des données pendant les essais, qui offre des vues illimitées et peut être configurée par l’utilisateur. Cela s’applique également aux résultats, de sorte que vous pouvez exporter les données et présenter les résultats dans le format qui convient le mieux à vos besoins.
Q : Quelles sont les prochaines étapes pour les essais TMF ?
R : L’une des plus grandes tendances en matière d’essais est l’intégration de la modélisation. MTS, avec l’un de ses partenaires, a mis au point une solution permettant de mieux prévoir les capacités de chauffage. Cette nouvelle solution nous permet de modéliser l’échantillon, la bobine et les mors pour comprendre les valeurs, les taux et la répartition de la température qui peuvent être atteints pour l’échantillon avant de fabriquer le matériel.
