Language
Country/Area
No result found
La vérité sur la fatigue thermomécanique : pourquoi est-elle si importante pour les moteurs ?
Les experts en conception de moteurs d'aujourd'hui doivent souvent prendre en compte un facteur critique : la fatigue thermomécanique (TMF). TMF fait référence au phénomène de fatigue d'un matériau sous l'interaction d'une charge mécanique cyclique et d'une charge thermique cyclique. Lors de la construction de moteurs à turbine ou de turbines à gaz, l’importance du TMF ne peut être ignorée.
La fatigue thermomécanique affecte non seulement la durée de vie du matériau, mais affecte également directement l'efficacité et la fiabilité du moteur.
Mécanisme de défaillance
Il existe trois principaux mécanismes de défaillance de la fatigue thermomécanique :
Fluage: Phénomène d’écoulement des matériaux à haute température.Fatigue: Croissance et propagation des fissures dues à des charges répétées.Oxydation: Les changements dans la composition chimique des matériaux dus à des facteurs environnementaux rendent le matériau oxydé plus fragile et sujet aux fissures.
L’impact de ces trois mécanismes variera en fonction des paramètres de charge.
Phase de chargement
Dans le chargement thermomécanique intraphase (IP), les effets du fluage sont plus importants lorsque la température et la charge augmentent simultanément. La combinaison de contraintes élevées et de températures élevées est idéale pour le fluage. Ce matériau chaud coule plus facilement lorsqu'il est étiré, mais refroidit et devient plus dur lorsqu'il est comprimé.
Dans le chargement thermomécanique déphasé (OP), les effets de l'oxydation et de la fatigue dominent. L'oxydation affaiblit la surface du matériau, formant des défauts et agissant comme des germes de propagation des fissures. À mesure que la fissure se développe, la surface de la fissure nouvellement exposée s'oxyde, affaiblissant davantage le matériau et provoquant l'extension de la fissure.
Dans certains cas, lorsque la différence de contrainte est bien supérieure à la différence de température, la fatigue peut devenir la seule cause de défaillance, provoquant la défaillance du matériau avant que l'oxydation ne puisse prendre effet.
Analyse du modèle
Actuellement, les recherches sur la fatigue thermomécanique sont incomplètes et les scientifiques ont proposé une variété de modèles pour prédire le comportement et la durée de vie des matériaux sous des charges TMF.
Deux principaux types de modèles seront abordés ici : les modèles constitutifs et les modèles phénoménologiques.
Modèle constitutif
Les modèles constitutifs exploitent les connaissances existantes sur la microstructure des matériaux et les mécanismes de défaillance. Ces modèles sont complexes et sont conçus pour intégrer toutes nos connaissances sur la défaillance des matériaux. Avec les progrès de la technologie d’imagerie, ce type de modèle est devenu de plus en plus populaire dans les études récentes.
Modèle phénoménologiqueLes modèles phénoménologiques sont basés sur le comportement observé du matériau et considèrent le mécanisme de défaillance comme une « boîte noire ». Après avoir saisi les conditions de température et de charge, le résultat est la durée de vie en fatigue. Ce type de modèle tente d’ajuster la relation entre différentes entrées et sorties à l’aide de certaines équations.
Modèle d'accumulation des dommages
Le modèle d’accumulation des dommages est un type de modèle constitutif qui résume les dommages causés par trois mécanismes de défaillance : la fatigue, le fluage et l’oxydation.
Ce modèle est considéré comme l’un des modèles TMF les plus complets et les plus précis car il prend en compte les effets de divers mécanismes de défaillance.
La fatigue de la vie
La durée de vie en fatigue est calculée dans des conditions de charge isotherme et est principalement affectée par la déformation appliquée à l'échantillon. Le modèle ne prend pas en compte les effets de température, qui sont traités par les termes d'oxydation et de fluage.
Effets de l'oxydation
La durée de vie de l'oxydation est affectée par la température et le temps de cycle. Les résultats expérimentaux montrent que dans des conditions de température élevée, l’influence des facteurs environnementaux réduira considérablement la durée de vie en fatigue du matériau.
Effets de fluage
Les effets du fluage sont évalués par des conditions de déformation et de charge à différentes températures et la durée de vie du matériau est résumée à partir de cela.
Défis rencontrés jusqu'à présent et perspectives d'avenir
Bien que les modèles d’accumulation de dommages jouent un rôle important dans la compréhension du TMF, leur complexité nécessite également l’obtention de nombreux paramètres matériels grâce à des expériences approfondies. Trouver un équilibre entre précision et opérabilité du modèle reste un défi majeur pour le monde universitaire et l’industrie.À l’avenir, à mesure que la science des matériaux progressera, nous serons en mesure d’acquérir une compréhension plus approfondie des mécanismes de fatigue thermomécanique, ce qui aidera à concevoir des moteurs plus durables. Cependant, la manière de transformer efficacement ces nouvelles connaissances en applications pratiques reste une question qui mérite d’être explorée.
