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Quand la fatigue des matériaux faisait encore débat. Part 4

Rappel des épisodes précédents

Dans les précédentes parties (partie 1, partie 2 et partie 3), je traitais des ouvrages de Jean Résal et Paul Planat datant de la fin du XIXe, où ces derniers réfutent la possibilité d’une fatigue des matériaux pour des contraintes inférieures à la limite d’élasticité.

Rappelons qu’au XIXe, la notion de fatigue des matériaux émerge tout doucement. En 1837, Albert publie le premier essai de fatigue (voir ici). En 1842 ou 1843, Rankine publie des essais de fatigue dans le ferroviaire (voir ici). En 1847, une commission royale anglaise s’intéresse au problème (voir ici).

Puis dans les années 1850-1860, August Wöhler publie ses travaux et énonce plusieurs lois. L’influence de ces lois sera considérable. Wöhler conclut en effet que pour des contraintes inférieures à la limite d’élasticité, la dégradation du matériau est possible si ces contraintes sont appliquées de façon cyclique. Les résultats expérimentaux sont indéniables mais l’explication ne passe pas chez certains français (Jean Résal, Paul Planat), pour qui tant que la limite d’élasticité n’est pas atteinte, aucune dégradation du matériau n’est possible. Ces derniers proposent une autre théorie pour expliquer les résultats expérimentaux de Wöhler, mais on a vu qu’elle ne tenait pas. Nous nous quittions sur ce statut quo.

Pour un rappel théorique, voir Limite d’élasticité et fatigue des matériaux.

Quand la fatigue des matériaux était observée en service

Dans cette partie 4, je continue mon voyage dans le temps pour comprendre l’acceptation de la fatigue des matériaux en France.

Je traiterai ici l’ouvrage d’Arthur Morin, Résistance des matériaux, 3e édition, 1862.

Morin rdm 1862

Dans cet ouvrage, Arthur Morin consacre un chapitre sur « l’altération des essieux par la prolongation de leur service » p114.

Devant la gravité des accidents dus à des ruptures en service (par exemple le Train Paris-Versailles dans les années 1840), l’auteur se demande « s’il ne serait pas prudent de prescrire une limite de chemin parcouru au delà de laquelle tous les essieux du matériel des chemins de fer devraient être réparés ou visités soigneusement. »

L’auteur pose cette question à deux ingénieurs, Mr Marcoux, directeur du matériel du service des malles-postes, et Mr Arnoux, administrateur des messageries générales.

Mr Marcoux, sur des essieux utilisés en service prolongé, ne reconnaît « aucun changement appréciable dans la texture du grain avec ce qu’il était au moment de la fabrication des essieux. ».

Mr Marcoux nie-t-il la fatigue des essieux ? Non !

Ce dernier « pense, au contraire, que les vibrations que les essieux éprouvent dans les marches à grande vitesse détériorent le fer, sans pour cela que la texture du grain éprouve de changement appréciable », et que « les essieux sont moins résistants après un long service ». En conséquence, ce dernier « prescrit, dans le cahier des charges de l’entretien des malles postes, que les essieux de ces voitures seront renouvelés après avoir fourni un parcours de 60 mille kilomètres ».

Mr Marcoux remarque ensuite que « des essieux bien fabriqués, avec des fers de bonne qualité, cassaient après avoir fourni un parcours de 60 à 80 mille kilomètres, parce qu’il se forme, au-dessous du collet des fusées, de petites fissures qu’il est difficile de reconnaître
sans chauffer le fer des fusées: si ces fissures, qui ont peu de profondeur lorsqu’elles se forment, restent inaperçues, les essieux cassent à cet endroit quand elles pénètrent de 10 à 15 millimètres dans la section de la fusée.
 ».

Il apporte ensuite son explication du phénomène : « je pense que ces fissures se forment après un long travail, qu’elles sont occasionnées par les vibrations des essieux, et que cet effet se produit d’une manière analogue à ce qui se passe lorsqu’on casse un fil de fer en le courbant plusieurs fois en différents sens. Si l’on ne fait subir à un fil de fer que de très faibles inflexions sur une grande longueur, on ne parvient pas à le rompre: c’est l’effet que doivent produire les vibrations sur le corps de l’essieu. Mais, si l’on serre le fil de fer dans un étau et qu’on lui fasse subir plusieurs inflexions en sens contraires, le fer s’allonge d’un côté, se refoule de l’autre, et le fil se casse près de l’étau, comme les essieux cassent au collet des fusées. »

En lisant ces lignes, difficile de dire si Mr Marcoux accepte la fatigue pour des contraintes sous la limite d’élasticité, ou s’il prétend qu’au collet des fusées, le métal subit des contraintes au-delà de la limite d’élasticité et donc des déformations plastiques qui l’amènent à rompre rapidement. Pour rappel, Jean Résal en 1892 accepte parfaitement la possibilité de fatigue pour des contraintes supérieures à la limite d’élasticité « le métal, soumis d’une façon intermittente à des efforts dépassant un peu la limite d’élasticité, finit par perdre sa cohésion, par se désagréger ou se rompre. […] Si l’on plie un certain nombre de fois une tôle mince, celle-ci finit par se fissurer et se casser, quoi qu’ayant résisté sans dommage apparent aux premières épreuves ». On voit tout de même que Mr Marcoux a bien identifié l’influence du caractère cyclique des contraintes dans les ruptures qu’il observe.

De son côté, Mr Arnoux commence par décrire les ruptures observées en service. Il donne une description précise d’un faciès de rupture : « dans tous les cas, la cassure affectait généralement le même aspect; une petite crique se déterminait à l’arête antérieure et inférieure de l’essieu, là en effet où se trouve la plus grande fatigue, due à la double action de la charge et de la traction; puis cette rupture s’étendait par zone dont cette crique était le centre, d’un grain aussi net et aussi fin que celui de l’acier fondu, et quand elle était parvenue aux deux tiers de la section, le reste rompait avec un aspect plus ou moins nerveux »

Attention : le terme « fatigue » est ici utilisé pour parler de l’effort mécanique.

Mr Arnoux résume finalement ses observations et conclusions :

« De l’ensemble de nos observations nous avons conclu:
1° Que le service altérait la nature de l’essieu et le rendait cassant ; […]
4° Qu’il faut éviter dans la forme des changements brusques de dimensions ; […]
5° Qu’il faut éviter les angles vifs rentrants, surtout à la naissance des fusées, dont ils déterminent la cassure;
 »

Il est difficile de connaître l’opinion de Mr Arnoux sur ce qui provoque ces ruptures : il parle de « service », d’ « usage », et ne propose pas d’origine à cette altération (charge constante appliquée pendant longtemps, effet des vibrations sur le travail élastique vu par la pièce comme proposé dans l’ouvrage de Jean Résal, caractère cyclique des efforts caractérisant la fatigue, effet d’environnement type fragilisation par l’hydrogène ……etc.).

Conclusion

Lors de la seconde moitié du XIXe siècle, la notion de fatigue des matériaux se développe sans faire encore l’unanimité. Les idées sont un peu floues mais certains ingénieurs sont sur la bonne piste, comme Mr Marcoux.

Mais dans le domaine des transports (voitures, diligences), l’altération des matériaux en service était bien actée, l’apparition de fissures était identifiée et des procédures de maintenance étaient définies pour réparer ou changer les pièces avant la rupture.

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Durabilite-infos_Lois-de-Wohler-part-4

L’image du mois : décembre 2013

L’image du mois est en fait… un article !

Début des années 1950, le COMET connait plusieurs accidents tragiques. On découvrira, en développant un essai structural inédit à l’époque, que ces accidents sont dus à une rupture en fatigue du fuselage.

L’histoire de cet avion et l’essai échelle 1 développé ont « fait date » dans l’histoire de la fatigue et de l’aéronautique.

L’image du mois est un article de l’époque, du magazine France Aviation (n°2, janvier 1955), que j’ai trouvé sur la base de données Gallica de la BNF. Il relate très clairement l’enquête réalisée.

13-12 France Aviation

Le doc disponible sur Gallica est de qualité limite pour lire donc le texte intégral figure ci-dessous :

« LES « COMET » REVOLERONT-ILS ?

La découverte par le Centre d’Essais de Farnborough d’un nouveau phénomène relatif à la fatigue des métaux explique les accidents de Naples et de l’ile d’Elbe et apporte de nouvelles garanties à la construction aéronautique.

On se souvient que les « Cornet » avaient pris leur essor sous les meilleurs auspices. Ils avaient pratiquement échappé à ces maladies de jeunesse habituelles à tous types devions nouveaux, et après quelques mois d’exploitation leur rotation moyenne journalière pouvait égaler celle des avions éprouvés depuis longtemps. Par la suite, deux catastrophes survenues dans des conditions identiques, laissant pressentir un grave et mystérieux défaut, avaient jeté un doute sur l’avenir de toute l’aviation commerciale à turbo-réacteurs.

Mais Outre-Manche, on était décidé à résoudre à n’importe quel prix cette énigme. Des moyens illimités furent mis à la disposition du Centre d’Essais de Farnborough qui accepta de se charger de cette difficile entreprise, tandis que l’Amirauté britannique mettait en oeuvre ses formidables moyens pour récupérer les débris de l’avion accidenté au voisinage de l’lie d’Elbe. On ne pouvait, en effet, songer à récupérer l’épave des environs de Naples.

L’enquête

Les techniciens de Farnborough attaquèrent le problème avec un esprit neuf, décidés à ne tenir aucun compte des essais passés et à vérifier tout par eux-mêmes. Toutes les causes possibles d’accident furent envisagées :
– Rupture des empennages ou des ailes sous l’ effet des rafales brutales provoquées par les mystérieux jet-streams rencontrés aux hautes altitudes,
– Défaillance des servo-commandes : ce système de commandes de vol n’étant, sur le Cornet, doublé d’aucun système de commande directe,
– Explosion du kérosène sous l’effet de décharges statiques électriques,
– Dommages possibles causés à la structure de l’aile, par le remplissage sous pression des réservoirs de carburant, si aucun des dispositifs de sécurité n’avait fonctionné,
– Effet des ultra-sons ou des vibrations provoqués par le souffle des réacteurs.

Toutes ces possibilités et bien d’autres encore furent minutieusement étudiées avec essais à r appui et toutes purent être éliminées comme cause de l’ accident.

La rupture des tôles du fuselage, sous les efforts de pressurisation répétés à chaque vol n’avait pas été retenue comme cause vraisemblable puisque De Havilland avait vérifié, au cours d’essais, que le fuselage résistait à une pression supérieure au double de la pression de service. On savait, certes, que sous l’action d’efforts, même relativement faibles, mais répétés des dizaines de millions de fois, un affaiblissement du métal finissait par se produire, mais comment un affaiblissement important aurait-il pu survenir après quelques milliers de vols seulement ?

Néanmoins, dans leur volonté de ne rien laisser dans I’obscurité, les techniciens de Farnborough décidèrent d’observer le comportement d’un fuselage soumis aux efforts réels de vol : c’est-à-dire soumis simultanément aux efforts d origine aérodynamique et aux efforts de pressurisation.

L’ordre du bain

Gonfler la cabine avec de l’air comprimé pour reproduire la pression différentielle sur les tôles ? Il n’y fallait pas songer. En cas d’incident, par suite de la compressibilité bien connue de l’air, il se serait produit une explosion brutale et l’origine de la rupture aurait été impossible à déceler. La méthode utilisée consista à remplacer la pression différentielle d’air par une pression différentielle d’eau. Il est facile d’augmenter la pression de l’eau enfermée à l’intérieur du fuselage, tandis que la pression d’eau extérieure reste constante. En faisant varier progressivement cette pression intérieure, et en exerçant de même temps, au moyen de vérins, des efforts appropriés sur les ailes, on peut reproduire sur la structure de l’avion les mêmes efforts qu’au cours d’un vol réel. Mais, en 5 minutes on obtient les effets d’un voyage de 3 heures.

A la surprise générale de tous les experts le métal du fuselage autour duquel on avait construit, pour procéder aux essais, une immense cuve d’eau, a cédé, au voisinage d’une fenêtre passager, après l’équivalent de 3000 vols seulement. Puis, après réparation et renforcement de cette partie, deux autres ruptures se sont successivement produites au voisinage d’autres hublots. La cause de ces ruptures, révélée par des analyses, était la fatigue du métal.

Parallèlement à tous ces essais, fanbroue poursuivait l’examen des débris de l’avion de l’ile d’Elbe récupérés par l’Amirauté. 70% du poids à vide de l’ avion, dont les quatre réacteurs, avaient ainsi été ramenés à la surface.

L’examen de l’épave assemblée sur une structure en bois mit en évidence l’existence sur la voilure à la fois […] de traces de la peinture utilisée sur l’extérieur de la coque. La preuve était donc faite de l’arrachement extrêmement brutal d’éléments de revêtements provenant du fuselage. L’état de la partie latérale de ce dernier montrait que la rupture initiale provenait probablement du sommet de la coque, dans la région des ouvertures du radio-compas. Malheureusement cette partie du fuselage manquait.

Règle à calcul en mains, Sir Hall, directeur de Farnborough, rechercha, en fonction de la vitesse de l’ avion, de son altitude, des vents qui soufflaient au moment de l’accident, l’endroit où, reposant au fond de la mer, devait se trouver cette pièce essentielle. L’Amirauté reçut l’ordre de reprendre les recherches au lieu présumé par Sir Hall. Quelques semaInes plus tard, le morceau manquant était repêché : Sir Hall ne s’était pas trompé dans ses calculs.

L’examen détaillé de cette pièce devait montrer que la cause de sa rupture était bien la fatigue du métal.

L’hypothèse la plus inattendue venait d’être confirmée : pour en arriver là, il avait fallu dépenser des sommes colossales et organiser des essais qui entraînèrent la destruction totale de deux avions. Mais ce n’est pas payer trop cher la sécurité des passagers de demain.

Les responsabilités

On sait qu’avant d’être autorisé à entrer en service, un prototype doit être soumis à une série d’essais démontrant qu’il est conforme aux règlements en vigueur. Ces règlements sont établis par des autorités propres à chaque pays, compte tenu des recommandations de l’Organisation internationale de l’Aviation civile, administration fonctionnant auprès de l’O. N. U. Ces règlements exigent que la cabine pressurisée d’un appareil soit en mesure de résister à des efforts de pression doubles de ceux qu’elle doit subir en service.

Or, les essais de Farnborough ont montré pour la première fois qu’une structure soumise à des efforts atteignant régulièrement environ la moitié des efforts maximum qu’elle peut supporter sans rupture, subit un affaiblissement suffisant pour mettre l’ appareil en danger après quelques milliers d’alternances seulement, alors que la notion classique de fatigue des métaux est associée à des efforts (relativement plus faibles) répétés des dizaines de millions de fois. On ne peut donc reprocher au constructeur ni aux techniciens chargés d’établir les règlements de n’avoir pas tenu compte d’un phénomène jusqu’alors inconnu.

Mais, désormais, les règlements relatifs à l’attribution des certificats de navigabilité devront être révisés. Il est à prévoir que l’épreuve de la piscine sera rendue obligatoire dans tous les pays pour tous les types d’avions pressurisés, de telle sorte qu’il soit démontré par essais que la structure n’est pas sensiblement affaiblie après un temps de vol correspondant à la vie normale d’un avion de transport, soit au moins 30.000 heures.

A la lumière des enseignements de Farnborough, la construction aéronautique pourra accomplir de nouveaux progrès.

Théoriquement, et cela sera étudié sur le plan scientifique, il apparaît que pour supprimer le danger de fatigue, il suffira de réduire le taux des efforts dans la tôle des cabines pressurisées; pratiquement, une légère augmentation d’épaisseur de ces tôles aura pour effet un accroissement considérable de la durée sûre d’utilisation.

L’avion commercial à réaction revolera

Il ne peut être question de reconstruire le Comet 1. Par contre, l’application des nouvelles règles au Comet II est possible. Elle aura, certes, pour effet d’augmenter le poids à vide de I’appareil de 500 kg environ, mais cette augmentation de poids sera compensée par la diminution de consommation des réacteurs qu’il est maintenant possible d’envisager.

D’autre part, au cours de cette enquête, le Comet a été examiné systématiquement dans tous ses détails, et c’est un fait vraiment rassurant pour l’avenir que, à part la fatigue catastrophique du fuselage, aucun défaut important n’ait été découvert. Toutes les imperfections mineures qui ont été décelées ont été discutées publiquement, on peut donc être sûr qu’elles seront éliminées. Le Comet II a ainsi toutes les chances d’être un bon avion, et pour les passagers et pour l’exploitant. Sa mise en service prévue pour 1954 sera sans doute repoussée vers le milieu de 1956, mais il est probable qu’elle précédera néanmoins celle du Boeing 707 américain et de la « Caravelle » française, leurs constructeurs devant tenir compte des enseignements nouveaux découverts par le Centre d’Essais de Farnborough.

Jean-G. COLLIARD »