Fiche de révision : Microstructure et Fatigue des Alliages

📋 Plan du Cours

1. Limite d'endurance graphique pour différents états (RB-18, 88, 276)
2. Analyse de maintenance d'une fissure de fatigue sur pièce RB-88
3. Résistance à la fatigue selon la taille des grains métallurgiques
4. Évaluation du risque de rupture immédiate à partir de la taille de fissure
5. Détermination du nombre total de cycles avant rupture via la courbe de Wöhler
6. Décision de maintenance : arrêt immédiat ou surveillance
7. Phases présentes dans les domaines numérotés sur le diagramme
8. Solubilité maximale du plomb dans le magnésium selon la température
9. Réactions eutectiques dans le diagramme de phase
10. Phases et constituants à 465°C dans un alliage à 10% molaire de Pb
11. Transformation de l'alliage de 465°C à 20°C à l'équilibre
12. Calcul de la fraction massique d’austénite transformée lors d'un refroidissement rapide

📖 1. Limite d'endurance graphique pour différents états (RB-18, 88, 276)

🔑 Notions clés & Définitions

• Fatigue : Mécanisme de rupture provoqué par des cycles répétés de charges, conduisant à l'amorçage et à la propagation progressive de fissures jusqu'à la rupture brutale après un certain nombre de cycles.
• Dureté : Seul le martensitique grimpe très haut grâce à sa structure issue de la trempe.
• Origine : La solidification rapide, les impuretés du minerai, ou les contraintes mécaniques subies par la pièce.
• Soudabilité : L’austénitique se soude très bien (pas de transformation de phase fragile).
• Limite d'endurance : Contrainte maximale qu'un matériau peut supporter indéfiniment sous des cycles répétés sans rupture, cette limite variant selon les états microstructuraux RB-18, RB-88 et RB-276.

📝 Points essentiels

• La limite d'endurance correspond à la contrainte maximale sous laquelle un matériau peut supporter un nombre infini de cycles sans rupture.
• Les états RB-18, RB-88 et RB-276 présentent des limites d'endurance distinctes, reflétant leurs différences microstructurales et mécaniques.

💡 À retenir

La limite d'endurance correspond à la contrainte maximale sous laquelle un matériau peut supporter un nombre infini de cycles sans rupture.

📖 2. Analyse de maintenance d'une fissure de fatigue sur pièce RB-88

🔑 Notions clés & Définitions

• Fatigue : Phénomène mécanique caractérisé par la dégradation progressive d'un matériau soumis à des cycles répétés de charges, pouvant entraîner une fissure et une rupture soudaine.
• Danger : Situation présentant un risque de rupture ou de défaillance d'une pièce ou d'une structure sous contraintes cycliques.

📝 Points essentiels

• L'analyse de maintenance d'une fissure de fatigue sur une pièce RB-88 nécessite une surveillance régulière de la taille de la fissure afin d'éviter une rupture brutale.
• La décision de maintenance est basée sur l'évolution de la fissure et les critères de sécurité spécifiques à l'état RB-88.
• LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 107 Recuit : état et traitement  Le principe de recuit (le traitement) repose sur la « remise à zéro » de l’acier. Dans quels cas souhaitons- nous revenir à l’état initial?
• Si la trempe et/ou le revenu a été involontaire (en soudage par exemple) : le recuit élimine la structure trempée-revenue
• En maintenance (usinage de réparation par exemple) : le recuit élimine la structure trempée-revenue ‐ 𝑅𝐸, 𝑅𝑀, H ↘ et rend donc l’usinage possible ‐ Puis trempe + revenu avant remise en service  Il faut à présent définir le recuit : l’état « idéal »
• Il correspond à l’état le plus doux de l’acier, constitué de ferrite et de perlite
• Il est constitué de grains fins, afin d’avoir une résilience K élevée (loi de Hall-Petch)
• Il est constitué de grains homogènes, pour éviter la corrosion
• Il est constitué des grains de forme identique, pour être isotrope
• Il n’a pas de contraintes internes ou résiduelles SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 108 Différents traitements de recuit  En règle générale, sauf cas spécifiques :
• vitesse de chauffage = vitesse de montée du four
• température de chauffage = AC3+50°
• temps de chauffage = 30 mn
• refroidissement très lent (cf diagramme d’équilibre et courbes TRC)  Les différences de nom des recuits viennent surtout des applications visées : Recuit Paramètres Buts Recuit de normalisation T° = Ac3+50°
• Maintenance 1. Si l'arbre tourne à une fréquence de 10 Hz (10 cycles par seconde), en combien de temps (secondes) la rupture va-t-elle survenir ? 2. En tant que responsable maintenance, quelle décision prenez-vous : arrêt immédiat ou surveillance lors du prochain vol ? SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 47 Changer d’échelle pour comprendre  Quand on regarde un matériau métallique, il se comporte comme un miroir s’il est bien poli ! Mais si on l’attaque avec un « réactif » (un produit chimique), on va mettre en évidence (au microscope) des formes plus ou moins régulières, qu’on appelle des « grains ». C’est toujours le cas (sur Terre !), où la solidification « naturelle » d’un métal liquide ne peut pas être homogène.  En fait, si on regarde encore plus à l’intérieur d’un grain, avec des moyens indirects (le microscope optique ne suffit plus), on verrait des atomes bien rangés. C’est la notion de « cristal » caractéristique des métaux. Et deux grains peuvent être différents, soit parce que leurs atomes sont différents, soit parce que leurs atomes identiques sont orientés spatialement différemment !  On pourrait regarder encore plus dans le détail, à l’intérieur d’un atome, voir les neutrons, protons… mais pratiquement toutes les propriétés mécaniques, les lois de comportement, les endommagements, les fissures arrivent à s’expliquer par les seuls arrangements des structures

💡 À retenir

L'analyse de maintenance d'une fissure de fatigue sur une pièce RB-88 nécessite une surveillance régulière de la taille de la fissure afin d'éviter une rupture brutale.

📖 3. Résistance à la fatigue selon la taille des grains métallurgiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Matériau : Substance constituant un objet, dont les propriétés mécaniques et microstructurales déterminent ses performances en génie mécanique.
• Fatigue : SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 36 La fatigue  Les hublots étaient carrés, ce qui a généré des concentrations de contraintes élevées aux angles  Des fissures de fatigues se sont amorcées au niveau des trous de rivet  Mécanismes de rupture :
  • Fatigue : les cycles de pressurisation font "partir" la fissure du rivet
  • Taille critique : la fissure progresse
  • Ténacité : rupture brutale et explosive du fuselage  Leçons apprises :
  • Design : Adoption systématique des hublots ronds (pour supprimer les angles vifs)
  • Tests : Obligation d'effectuer des essais de fatigue sur des cellules d'avion complètes dans des bassins d'eau (pour simuler les cycles de pression)
  • Maintenance : Mise en place d'inspections régulières pour détecter les fissures avant qu'elles n'atteignent leur taille Inconel 718.
• Application : ‐ Application : Ressorts, roues dentées, trains d'atterrissage, aubes de turbines
• Galetage : on écrase les rugosités de la surface à l'aide d'un galet ou d'une bille très dure sous forte pression ‐ Mécanisme : Au lieu d'impacts, c'est une pression continue et roulante.

📝 Points essentiels

• Les matériaux à grains fins présentent généralement une meilleure résistance à la fatigue que ceux à grains grossiers.
• La taille des grains influence la propagation des fissures de fatigue, affectant ainsi la durée de vie en fatigue du matériau.
• Que concluez-vous sur l'influence de la taille des grains sur la durée de vie à contrainte égale ?

💡 À retenir

Les matériaux à grains fins présentent généralement une meilleure résistance à la fatigue que ceux à grains grossiers.

📖 4. Évaluation du risque de rupture immédiate à partir de la taille de fissure

🔑 Notions clés & Définitions

• Taille : De quelques microns à plusieurs millimètres.
• Résilience : Capacité d'un matériau à absorber de l'énergie lors d'une déformation élastique sans rupture, mesurée par un essai spécifique.

📝 Points essentiels

• Une fissure dépassant une taille critique entraîne un risque élevé de rupture immédiate sous charge.
• L'évaluation précise de la taille de fissure permet de décider entre arrêt immédiat ou poursuite sous surveillance.
• SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 36 La fatigue  Les hublots étaient carrés, ce qui a généré des concentrations de contraintes élevées aux angles  Des fissures de fatigues se sont amorcées au niveau des trous de rivet  Mécanismes de rupture :
  • Fatigue : les cycles de pressurisation font "partir" la fissure du rivet
  • Taille critique : la fissure progresse
  • Ténacité : rupture brutale et explosive du fuselage  Leçons apprises :
  • Design : Adoption systématique des hublots ronds (pour supprimer les angles vifs)
  • Tests : Obligation d'effectuer des essais de fatigue sur des cellules d'avion complètes dans des bassins d'eau (pour simuler les cycles de pression)
  • Maintenance : Mise en place d'inspections régulières pour détecter les fissures avant qu'elles n'atteignent leur taille chaque contrainte statique et chaque température
  • On utilise la loi de Larson-Miller : 𝑇 20 + log 𝑡 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
  • Avec 𝑇 la température en Kelvin et 𝑡 le temps en heures SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 40 Synthèse des essais mécaniques Essai Ce que l'on mesure Unité / Grandeur Risque Industriel associé Re, Rm(MPa), A (%) Surcharge : Déformation permanente ou rupture immédiate.

💡 À retenir

L'évaluation rapide et précise de la taille de fissure est essentielle pour anticiper le risque de rupture et garantir la sécurité opérationnelle.

📖 5. Détermination du nombre total de cycles avant rupture via la courbe de Wöhler

🔑 Notions clés & Définitions

• Courbe de Wöhler : Propre au matériau mais elle est généralement corrigée par des coefficients qui prennent en compte la forme de la pièce, les traitements thermiques, la corrosion, l’état de surface… Δ𝜎 2 Limite d’endurance 𝝈𝒇 SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 34 La fatigu
• Avant la rupture : Période précédant la rupture finale durant laquelle le matériau subit des fissures ou déformations progressives.
• Nombre de cycles : Quel est le nombre de cycles maximum autorisé pour l'état RB-18 ?

📝 Points essentiels

• Le nombre total de cycles avant rupture diminue lorsque l'amplitude de contrainte augmente.
• La courbe de Wöhler relie l'amplitude de contrainte appliquée au nombre total de cycles avant rupture d'un matériau.

💡 À retenir

La courbe de Wöhler permet de prédire la durée de vie en fatigue d'un matériau en fonction des conditions de chargement.

📖 6. Décision de maintenance : arrêt immédiat ou surveillance

🔑 Notions clés & Définitions

• Arrêt immédiat : En tant que responsable maintenance, quelle décision prenez-vous : arrêt immédiat ou surveillance lors du prochain vol ?

📝 Points essentiels

• La décision d'arrêt immédiat est prise lorsque la fissure atteint une taille critique menaçant la sécurité.
• La surveillance conditionnelle est choisie lorsque la fissure est détectée mais reste en dessous du seuil critique, permettant un suivi régulier.

💡 À retenir

Maîtriser les critères de décision entre arrêt immédiat et surveillance conditionnelle permet d'optimiser la sécurité et la disponibilité des équipements.

📖 7. Phases présentes dans les domaines numérotés sur le diagramme

🔑 Notions clés & Définitions

• A l’état liquide : SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 98 TD : construction d’un diagramme d’équilibre  Deux métaux A et B ayant les points de fusion Tf(A)=700°C et Tf(B)
• Donc v : Terme non défini dans le contenu source et sans contexte clair pour une définition précise.
• Diagramme de phase : Représentation graphique des phases d'un alliage en fonction de la température et de la composition, permettant d'identifier les domaines monophasés, biphasés ou triphasés.
• Domaine monophasé : Si 1 fuseau Liquide et solide En général, plus complexe → plusieurs  solides Définition des domaines monophasés : Sol Sol, CI ou MP % T° % T° % T° % T° SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 84 Les diagrammes d’équilibre Règle de l’horizontale : Nom et composition des phases  Domaine monophasé : lecture directe à une T° et x% de B de la phase présente 1+ 21 2 T° T A B X1% X2% T° T A Bx% Domaine biphasé A la température T, l’alliage est composé de : - phase 1 à X1% de B - phase 2 à X2% de B 1 2 T° A B 3 1+ 3 3+ 2 1+ 2 X2%X1% X3% E Au point E l’alliage est composé de trois phases en équilibre : - phase 1 à X1% de B - phase 2 à X2% de B - phase 3 à X3% de B A l’eutectique/eutectoïde 1 SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 85 Les diagrammes d’équilibre Exercice : Quelles sont les phases présentes dans l’alliage :
  • À 64% à 1300°C ?

📝 Points essentiels

• La règle de l'horizontale permet de déterminer les phases présentes et leurs proportions dans un domaine biphasé.
• 1. : 2 paramètres d’équilibre T° ou % (la pression est fixée)  Conséquence :
  • Possibilité de déterminer le nombre de phases dans chaque domaine à partir du domaine voisin
  • Liquide en haut du domaine : c’est le point de départ. Puis on construit le diagramme 1 des deux varie Les deux varient Séparation entre 2 domaines Horizontale (isotherme) ou verticale (stœchiométrie) Courbe quelconque (courbe ou droite inclinée) Conséquence théorique Variance conservée donc  = cste Variance change avec ∆ = +/-1 En pratique 1 ou 2  1 ou 2  1 ou 2  1 ou 2  SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 82 Les diagrammes d’équilibre Pour les domaines triphasés (v=
• LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 107 Recuit : état et traitement  Le principe de recuit (le traitement) repose sur la « remise à zéro » de l’acier. Dans quels cas souhaitons- nous revenir à l’état initial?
• Si la trempe et/ou le revenu a été involontaire (en soudage par exemple) : le recuit élimine la structure trempée-revenue
• En maintenance (usinage de réparation par exemple) : le recuit élimine la structure trempée-revenue ‐ 𝑅𝐸, 𝑅𝑀, H ↘ et rend donc l’usinage possible ‐ Puis trempe + revenu avant remise en service  Il faut à présent définir le recuit : l’état « idéal »
• Il correspond à l’état le plus doux de l’acier, constitué de ferrite et de perlite
• Il est constitué de grains fins, afin d’avoir une résilience K élevée (loi de Hall-Petch)
• Il est constitué de grains homogènes, pour éviter la corrosion
• Il est constitué des grains de forme identique, pour être isotrope
• Il n’a pas de contraintes internes ou résiduelles SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 108 Différents traitements de recuit  En règle générale, sauf cas spécifiques :
• vitesse de chauffage = vitesse de montée du four
• température de chauffage = AC3+50°
• temps de chauffage = 30 mn
• refroidissement très lent (cf diagramme d’équilibre et courbes TRC)  Les différences de nom des recuits viennent surtout des applications visées : Recuit Paramètres Buts Recuit de normalisation T° = Ac3+50°

💡 À retenir

Chaque domaine numéroté sur un diagramme de phase correspond à une ou plusieurs phases en équilibre à une température et composition données.

📖 8. Solubilité maximale du plomb dans le magnésium selon la température

🔑 Notions clés & Définitions

• Objectif : Créer une multitude de petits obstacles (les nanoprécipités) qui vont bloquer le mouvement des dislocations, augmentant ainsi la limite élastique Re et la dureté H Diagramme de phase Al-Cu  Ce traitement n'est possible que si le diagramme présente une solubil
• Maturation artificielle : La température modérée redonne un peu de mobilité aux atomes.

📝 Points essentiels

• La solubilité maximale du plomb dans le magnésium varie avec la température, augmentant généralement à haute température.
• Au-delà de cette solubilité maximale, des phases secondaires peuvent se former, modifiant les propriétés de l'alliage.

💡 À retenir

La solubilité maximale du plomb dans le magnésium varie avec la température, augmentant généralement à haute température.

📖 9. Réactions eutectiques dans le diagramme de phase

🔑 Notions clés & Définitions

• Vitesse de chauffe : Le rythme auquel la température augmente, influençant la cinétique des transformations de phases lors du chauffage ou du refroidissement.
• Réaction eutectique : Transformation d'une phase liquide en deux phases solides simultanément à une température spécifique appelée point eutectique, caractérisée par l'absence de degrés de liberté avec trois phases en équilibre.

📝 Points essentiels

• Le point eutectique est caractérisé par l'absence de degrés de liberté, avec trois phases en équilibre à cette température.
• La réaction eutectique correspond à la transformation d'une phase liquide en deux phases solides simultanément à une température spécifique.

💡 À retenir

Identifier et comprendre les réactions eutectiques permet de prévoir la formation des phases dans les alliages.

📖 10. Phases et constituants à 465°C dans un alliage à 10% molaire de Pb

🔑 Notions clés & Définitions

📝 Points essentiels

• À 465°C, un alliage à 10% molaire de plomb présente un équilibre entre phases solides et liquides selon le diagramme de phase.
• La composition et la nature des phases à cette température déterminent les propriétés mécaniques et thermiques de l'alliage.

💡 À retenir

À 465°C, un alliage à 10% molaire de plomb présente un équilibre entre phases solides et liquides selon le diagramme de phase.

📖 11. Transformation de l'alliage de 465°C à 20°C à l'équilibre

🔑 Notions clés & Définitions

• Refroidissement lent : Processus de diminution de température suffisamment lent pour permettre aux phases de se former conformément au diagramme d'équilibre, conduisant à une microstructure stable à chaque température.
• Résultat : Comme on ne subit pas de choc thermique ni de déformation (trempe), la pièce conserve ses dimensions finales.
• Maturation naturelle : En maturation naturelle, le métal durcit lentement sur plusieurs jours jusqu'à un palier stable.

📝 Points essentiels

• Lors d'un refroidissement lent de 465°C à 20°C, l'alliage évolue vers un équilibre microstructural stable.
• Les phases présentes à 20°C résultent des transformations isothermes et des réactions eutectiques ou eutectoïdes survenues durant le refroidissement.
• A-B 2. Indiquer les phases et les points de transformation 3. Tracer les courbes de refroidissement des alliages 5% de B ; 75% de B 4. Donner les fractions de phases et les compositions de l’alliage 75% de B aux températures 500°C puis à la température 200°C SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 99 Démarche en SDM Diagnostiquer Agir Identifier Mesurer Contrôler Observer Expliquer Choisir SDM LP MIA – JC Vallée – 27/04/2026 100 De la recette d’un matériau vers les traitements thermiques  Ce que l'on définit (la « recette ») :
  • La composition chimique : sélection de la chimie de base (Fer, Carbone, Chrome...). C’est un des seuls leviers directs au départ (forgeage, laminage, …)  Ce que l’on constate :
  • La cristallographie : les atomes s'organisent selon des structures imposées (CFC, CC...) qui définissent la facilité (ou non) des dislocations à circuler
  • La thermodynamique (diagrammes d’équilibre) : selon la température et la composition, la nature impose la formation de certaines phases (solubilité, apparition de précipités), lors d’une cinétique très lente  Notre objectif : agir sur les défauts
  • Nous allons chercher à contrôler les imperfections (grains, dislocations, impuretés) pour atteindre les propriétés visées par le cahier des charges
  • En jouant sur la cinétique (la vitesse), les traitements thermiques nous permettent de « tricher » avec ces lois pour figer des

💡 À retenir

Comprendre les transformations microstructurales à l'équilibre lors du refroidissement permet de maîtriser les propriétés finales de l'alliage.

📖 12. Calcul de la fraction massique d’austénite transformée lors d'un refroidissement rapide

🔑 Notions clés & Définitions

• Fraction massique d’austénite : 011 𝑀𝑠 − 𝑇𝑖 1−𝜇 , avec 𝜇
• Transformation martensitique : Transformation de phase rapide où l'austénite se convertit en martensite lors d'un refroidissement rapide, sans diffusion, produisant une microstructure dure et fragile.

📝 Points essentiels

• La fraction massique d’austénite transformée en martensite lors d'un refroidissement très rapide peut être calculée avec la relation de Koïstinen et Marburger : y = 1 – e^(-0.011(Ms - Ti)), où Ms est la température de début de transformation martensitique et Ti la température considérée.
• Un refroidissement très rapide limite la formation d'autres phases diffusives et favorise la transformation martensitique, ce qui augmente la dureté finale du matériau.

💡 À retenir

La fraction massique d’austénite transformée en martensite lors d'un refroidissement très rapide peut être calculée avec la relation de Koïstinen et Marburger : y = 1 – e^(-0.011(Ms - Ti)), où Ms est la température de début de transformation martensitique et Ti la température considérée.

📊 Tableaux de Synthèse

Limites d'endurance selon l'état microstructural

Effet de la taille des grains sur la résistance à la fatigue

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confusion entre limite d'endurance et limite élastique.
2. Mélanger microstructure et état de surface dans l'influence sur la fatigue.
3. Confondre la courbe de Wöhler avec d'autres courbes mécaniques.
4. Oublier l'effet des impuretés ou défauts initiaux.
5. Confusion entre fissure de fatigue et fissure de rupture brutale.
6. Erreur dans l'interprétation des domaines de phase sur le diagramme.
7. Confusion entre solubilité maximale et précipitation.

✅ Checklist Examen

1. Vérifier la compréhension de la limite d'endurance.
2. Savoir différencier RB-18, RB-88, RB-276.
3. Analyser la relation entre taille de grain et fatigue.
4. Interpréter la courbe de Wöhler.
5. Comprendre la décision de maintenance en fonction de la fissure.
6. Identifier les phases dans le diagramme de phase.
7. Connaître la solubilité du plomb dans le magnésium.
8. Maîtriser la transformation microstructurale à 465°C.
9. Calculer la fraction d’austénite transformée.