Rapport de contrainte
Le rapport de contrainte R est le quotient de la contrainte minimale σ_min par la contrainte maximale σ_max d'une sollicitation cyclique. Il caractérise l'état de contrainte moyenne : R = -1 signifie une sollicitation purement alternée, R = 0 une sollicitation purement ondulée en traction. Dans les pièces soudées, les contraintes résiduelles augmentent le R local et diminuent la tenue en fatigue.
Mécanisme d'action physico-chimique
Sous charge cyclique, la contrainte fluctue périodiquement entre une valeur supérieure σ_max et une valeur inférieure σ_min. Le rapport de contrainte R = σ_min / σ_max (avec signe) décrit l'amplitude de cette fluctuation autour de la contrainte moyenne. Si R est négatif, la contrainte change de direction (alternance traction-compression). Si R est nul ou positif, la contrainte reste dans le domaine de traction ou de compression. Plus R est grand, plus la contrainte moyenne est élevée pour une même amplitude. Cela favorise la croissance des fissures de fatigue car les pointes de fissures sont moins déchargées.
Pertinence métallurgique et risques lors du soudage
Les soudures contiennent après refroidissement des contraintes résiduelles de traction élevées, qui peuvent approcher la limite d'élasticité. Ces contraintes résiduelles se superposent à la charge de service. Cela déplace le rapport de contrainte local dans la soudure nettement vers le haut. Même si une pièce est testée extérieurement avec R = -1, la zone critique de la soudure oscille souvent avec R ≈ 0,3 à 0,5. Cela réduit considérablement la limite d'endurance. Si le véritable R local est sous-estimé, des fissures prématurées apparaissent aux transitions de soudure, surtout dans les aciers à haute résistance ou les tôles épaisses.
Pratique d'atelier et instructions
Déterminez toujours le rapport de contrainte à partir de la séquence de charge réelle sur la pièce, et non à partir d'hypothèses idéalisées. Pour les constructions soudées sans relaxation des contraintes résiduelles, utilisez au moins R = 0,5 dans le calcul de durée de vie, même si la charge externe est alternée. Réduisez les pics de traction locaux en meulant les transitions de soudure, par grenaillage ou par traitement TIG. Ainsi, vous abaissez la contrainte moyenne et le R effectif. Pour les pièces critiques, mesurez les contraintes résiduelles par diffraction des rayons X ou par la méthode du trou, afin de déterminer le R réel.