FR2944601A1

FR2944601A1 - Fatigue test specimen for characterizing behavior of material under constrain, has branches crossed at specific degree in geometrical center of bar and inscribed in polygon i.e. rhombus, passing through four ends of branches

Info

Publication number: FR2944601A1
Application number: FR0952516A
Authority: FR
Inventors: Duarte Alexis Perez
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2010-10-22
Anticipated expiration: 2029-04-17
Also published as: FR2944601B1

Abstract

The specimen has a parallelepiped material bar (10) whose part is machined to form a cross section having two branches (12a, 12b), where the branches are crossed at 90 degree in geometrical center of the bar and inscribed in polygon i.e. rhombus, passing through four ends of the branches. Each branch comprises same length and different width. The polygon comprises four sides and four crowns. The four ends of the branches are terminated at the four crowns. Each side comprises same determined thickness (e0) that is different than width of the branch. Independent claims are also included for the following: (1) a method for developing a fatigue test specimen (2) a method for determining behavior of a material at fatigue according to two axes.

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des essais de fatigue et elle concerne plus particulièrement une éprouvette élaborée pour de tels essais et permettant de solliciter en fatigue la matière dont elle est faite avec un état de contrainte multiaxiale et un rapport de contrainte négatif. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of fatigue tests and more particularly relates to a specimen prepared for such tests and making it possible to fatigue-stress the material of which it is made with a state of multiaxial stress and a ratio of negative stress.

Art antérieur L'étude des comportements des matériaux en fatigue est un domaine d'activité ancien qui pour des raisons de coût met en oeuvre des machines de fatigue essentiellement de type uni-axiale. Il existe aussi des machines plus complexes mettant en oeuvre des éprouvettes spécifiques permettant de réaliser des essais multiaxiaux. Toutefois, ces machines sont fort peu répandues et très onéreuses. Aussi, il a donc été proposé dans la demande de brevet française N°2914420, un nouveau type d'éprouvette de fatigue permettant au moyen d'une simple machine de fatigue uni-axiale de créer des conditions d'une sollicitation bi-axiale au niveau de cette éprouvette. Malheureusement, de part sa structure figée, cette éprouvette présente l'inconvénient de ne permettre des essais de fatigue que pour un rapport de contrainte oy/ox positif et égale à l'unité. PRIOR ART The study of the behavior of materials in fatigue is a field of old activity which for cost reasons uses fatigue machines essentially uni-axial type. There are also more complex machines using specific specimens to perform multiaxial tests. However, these machines are very sparse and very expensive. Also, it has been proposed in the French patent application No. 2914420, a new type of fatigue test piece allowing by means of a simple uni-axial fatigue machine to create conditions of a bi-axial stress at level of this test piece. Unfortunately, because of its fixed structure, this test has the disadvantage of only allowing fatigue tests for a ratio of stress oy / ox positive and equal to unity.

Objet et définition de l'invention L'objet de la présente invention est donc de proposer une solution qui permettre de s'affranchir de ce rapport positif et unitaire et donc de permettre de réaliser des éprouvettes de fatigue dont le rapport de contrainte est au contraire négatif et peut être prédéfini à la demande de l'utilisateur. OBJECT AND DEFINITION OF THE INVENTION The object of the present invention is therefore to propose a solution which makes it possible to overcome this positive and unitary ratio and thus to make it possible to produce fatigue test tubes whose stress ratio is, on the contrary, Negative and can be predefined at the request of the user.

Selon l'invention, il est proposé une éprouvette de fatigue destinée à caractériser le comportement d'un matériau sous l'effet d'une contrainte, caractérisé en ce qu'elle est formée d'un barreau parallélépipédique du matériau considéré dont une partie est usinée pour former une croix dont les deux branches se croisant à 90° au centre géométrique dudit barreau sont inscrites dans un polygone passant par les quatre extrémités desdites branches. Ainsi, en mettant cette éprouvette sous traction, il est possible d'obtenir un champ de contrainte multiaxial aux propriétés souhaitées. According to the invention, a fatigue test piece is proposed for characterizing the behavior of a material under the effect of a stress, characterized in that it is formed of a parallelepipedal bar of the material in question, part of which is machined to form a cross whose two branches intersecting at 90 ° at the geometric center of said bar are inscribed in a polygon passing through the four ends of said branches. Thus, by putting this specimen under tension, it is possible to obtain a multiaxial stress field with the desired properties.

De préférence, chaque branche de ladite croix comporte une même longueur déterminée et ledit polygone est un losange comportant quatre cotés et quatre sommets, lesdites quatre extrémités desdites branches se terminant auxdits quatre sommets. Selon le mode de réalisation envisagé, chaque branche de ladite croix peut comporter une largeur différente et chaque coté une même largeur déterminée et différente desdites largeurs de chaque branche de ladite croix. Chaque branche de ladite croix peut aussi comporter une épaisseur différente et chaque coté comporter une même épaisseur déterminée et différente desdites épaisseurs de chaque branche de ladite croix. Toutefois, chacun desdits cotés et chacune desdites branches peut aussi comporter une même épaisseur déterminée correspondant à l'épaisseur du barreau. L'invention concerne aussi un procédé d'élaboration d'une éprouvette de fatigue dans un barreau parallélépipédique du matériau à caractériser comportant une croix dont les deux branches se croisant à 90° au centre géométrique dudit barreau sont inscrites dans un polygone passant par les quatre extrémités desdites branches, procédé comportant les étapes suivantes : . définition d'une géométrie nominale d'éprouvette et paramétrage 30 de cette géométrie nominale en trois dimensions, 3 . génération d'un maillage par un calcul d'éléments finis à partir de la géométrie définie préalablement, . détermination d'un rapport de contrainte (R) audit centre géométrique, . tant qu'un rapport de contrainte souhaité (RV1Sé) n'est pas atteint, incrémentation d'un des paramètres de ladite géométrie d'un pas déterminé et génération d'un nouveau maillage, . une fois ledit rapport de contrainte souhaité (Rvisé) atteint, détermination d'une géométrie finale d'éprouvette. Preferably, each branch of said cross has the same determined length and said polygon is a diamond having four sides and four vertices, said four ends of said branches ending at said four vertices. According to the embodiment envisaged, each branch of said cross may comprise a different width and each side a same determined width and different from said widths of each branch of said cross. Each branch of said cross may also comprise a different thickness and each side have the same thickness determined and different from said thicknesses of each branch of said cross. However, each of said sides and each of said branches may also have the same determined thickness corresponding to the thickness of the bar. The invention also relates to a method for producing a fatigue specimen in a parallelepipedal bar of the material to be characterized comprising a cross whose two branches intersecting at 90 ° at the geometric center of said bar are inscribed in a polygon passing through the four ends of said branches, the method comprising the following steps: definition of a nominal specimen geometry and parameterization of this nominal geometry in three dimensions, 3. generating a mesh by finite element calculation from the previously defined geometry,. determining a stress ratio (R) at said geometric center,. as long as a desired stress ratio (RV1Se) is not reached, incrementing one of the parameters of said geometry by a determined step and generating a new mesh,. once said desired stress ratio (R) has been reached, determining a final specimen geometry.

De préférence, ledit rapport de contrainte est choisi entre -0,5 et - 10, ladite incrémentation étant effectuée par pas de 0,1. L'invention concerne également un procédé de détermination du comportement d'un matériau à la fatigue selon deux axes de sollicitation, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre une éprouvette formée dudit matériau à une traction alternée uni-axiale de le sens de sa longueur. Preferably, said stress ratio is chosen between -0.5 and -10, said incrementation being effected in steps of 0.1. The invention also relates to a method for determining the behavior of a material with fatigue along two axes of stress, characterized in that it consists in subjecting a test piece formed of said material to a uni-axial alternating traction of the direction of its length.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante effectuée à titre indicatif et non limitatif en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un exemple d'une éprouvette de fatigue selon l'invention, la figure 1A est une loupe de la figure 1 au niveau de la zone de sollicitation de fatigue, et - la figure 2 montre les différentes étapes du procédé permettant l'élaboration de l'éprouvette de fatigue de la figure 1. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other characteristics and advantages of the present invention will emerge more clearly from the following description given by way of non-limiting indication with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is an example of a fatigue test piece according to FIG. FIG. 1A is a magnifying glass of FIG. 1 at the level of the fatigue loading zone, and FIG. 2 shows the various steps of the method for producing the fatigue test tube of FIG. 1.

Description de mode (s) de réalisation L'invention se propose de réaliser une éprouvette de fatigue de forme particulière qui mise en traction uni-axiale sur une machine de fatigue uni-axiale permet d'obtenir un champ de contrainte multiaxial aux propriétés souhaitées par son utilisateur. Plus particulièrement, il est proposé un procédé d'élaboration d'éprouvettes de fatigue qui permet d'obtenir sur ces éprouvettes un rapport de contrainte R (contrainte minimale/contrainte maximale ou oy/o)() négatif compris de préférence entre -0,5 et -10. Une éprouvette de fatigue conforme à l'invention est illustrée à la figure 1. Elle est usinée dans un barreau 10 du matériau à tester présentant initialement une forme longitudinale parallélépipédique et une épaisseur déterminée eo. Une fois cet usinage effectué, l'éprouvette se présente sous la forme d'une croix dont les deux branches 12a, 12b et 14a, 14b se croisent à 90° au centre géométrique du barreau et sont inscrites dans un polygone passant par les quatre extrémités de ces deux branches. De préférence, ces deux branches ont même longueur et le polygone est donc un carré dont les quatre cotés 16a, 16b, 16c, 16d sont reliés deux à deux par les quatre sommets formant les quatre extrémités des deux branches de la croix. On notera toutefois que cette configuration en carré n'est aucunement obligatoire et, par exemple, la branche 12a, 12b parallèle à l'axe longitudinal du barreau peut présenter une longueur supérieure à la branche perpendiculaire 14a, 14b de sorte que le polygone reliant les extrémités de ces branches n'est plus un carré proprement dit mais de façon plus général un losange. On peut noter également que si les branches de la croix et les cotés du polygone de l'éprouvette illustrée ont la même épaisseur eo, il est évident que cette condition n'est aucunement indispensable, et selon le comportement recherché, les épaisseurs des branches peuvent être différentes entre elles comme peuvent l'être les largeurs de ces branches. De même, elles peuvent aussi être différentes de celles des cotés dont les largeurs peuvent aussi se distinguer de celles des branches. Description of Embodiment (s) The invention proposes to produce a fatigue test specimen of a particular shape which puts in uni-axial traction on a uni-axial fatigue machine makes it possible to obtain a multiaxial stress field with the properties desired by his user. More particularly, there is provided a method for producing fatigue specimens which makes it possible to obtain on these specimens a stress ratio R (minimum stress / maximum stress or oy / o) () negative preferably between -0, 5 and -10. A fatigue test piece according to the invention is illustrated in FIG. 1. It is machined in a bar 10 of the test material initially having a parallelepipedal longitudinal shape and a determined thickness eo. Once this machining is done, the test specimen is in the form of a cross whose two branches 12a, 12b and 14a, 14b intersect at 90 ° at the geometric center of the bar and are inscribed in a polygon passing through the four ends. of these two branches. Preferably, these two branches have the same length and the polygon is a square whose four sides 16a, 16b, 16c, 16d are connected in pairs by the four vertices forming the four ends of the two branches of the cross. Note however that this square configuration is not mandatory and, for example, the branch 12a, 12b parallel to the longitudinal axis of the bar may have a length greater than the perpendicular branch 14a, 14b so that the polygon connecting the ends of these branches is no longer a square proper but more generally a rhombus. It may also be noted that if the branches of the cross and the sides of the polygon of the test piece illustrated have the same thickness eo, it is obvious that this condition is in no way indispensable, and according to the desired behavior, the thicknesses of the branches can to be different from each other as the widths of these branches may be. Similarly, they can also be different from those sides whose widths can also be distinguished from those branches.

Au point de croisement de ces deux branches qui est aussi le centre de géométrie du barreau et la zone de sollicitation préférentielle du matériau, l'éprouvette est amincie sur chacune de ses faces, comme l'illustre la loupe de la figure 1A. Ainsi, soit eb l'épaisseur de la branche 12a, 12b et ec l'épaisseur de la branche 14a, 14c, alors l'épaisseur eg dans la zone de sollicitation est inférieure à la plus petite des épaisseurs eb et ec. Des amorces de fissures (non représentées), par exemple de forme semi-elliptique, peuvent être réalisées dans la zone de sollicitation sur une ou les deux faces de l'éprouvette et selon une orientation prédéterminée à définir (angle de l'amorce par rapport à la direction de l'éprouvette) pour réaliser des essais de durée de vie en propagation multiaxiale (versus durée de vie à amorçage comme prévu initialement). En outre, afin d'éviter une rupture au niveau des lignes de jonction aux angles des deux branches, il est prévu avantageusement dans ces coins des zones arrondies réalisées simplement par des perçages 18a, 18b, 18c, 18d. At the point of intersection of these two branches, which is also the center of geometry of the bar and the zone of preferential biasing of the material, the test piece is thinned on each of its faces, as illustrated by the magnifying glass of FIG. 1A. Thus, eb the thickness of the branch 12a, 12b and ec the thickness of the branch 14a, 14c, then the thickness eg in the biasing zone is less than the smallest thickness eb and ec. Cracking primers (not shown), for example of semi-elliptical shape, can be made in the biasing zone on one or both sides of the test piece and in a predetermined orientation to be defined (angle of the primer relative to to the specimen direction) to perform multiaxial propagation life tests (versus priming life as originally planned). In addition, in order to avoid a break at the junction lines at the corners of the two branches, there is advantageously provided in these corners rounded areas made simply by holes 18a, 18b, 18c, 18d.

A titre d'exemple non limitatif, on pourra noter qu'une éprouvette conforme à l'invention peut présenter des branches de 150 mm de longueur, de 10 mm de largeur et d'épaisseur et que l'épaisseur eg de la zone de sollicitation peut alors avec ces dimensions être réduite à une épaisseur de 3 mm. By way of nonlimiting example, it may be noted that a test piece according to the invention may have branches 150 mm long, 10 mm wide and thick and that the thickness eg of the solicitation zone can then with these dimensions be reduced to a thickness of 3 mm.

La figure 2 illustre les différentes étapes permettant l'élaboration de l'éprouvette de fatigue selon l'invention. La première étape 100 consiste à définir la géométrie nominale de l'éprouvette à réaliser en définissant des contraintes initiales sur les paramètres de cette géométrie, définies de préférence en fonction de la fabrication et nécessaires à l'obtention du rapport de contrainte R, à savoir les épaisseurs ea, eb, ec et les largeurs la, lb, lc. Par exemple, une même épaisseur ea = eb = ec et une même largeur la = lb = le pour les branches et les cotés ou encore une épaisseur des cotés double de celle des branches ea = 2 eb = 2 ec. Une fois ces contraintes et la géométrie nominale en résultant définies, cette géométrie fait l'objet, dans une étape 102, d'un paramétrage 3D puis, dans une étape 104, il lui est appliqué un calcul par éléments finis pour générer un maillage de l'éprouvette préalablement paramétrée. Il est alors procédé dans une étape suivante 106 au calcul du rapport de contrainte R au centre géométrique de l'éprouvette, c'est-à-dire précisément au croisement de ces deux branches dans sa partie amincie. Ensuite, selon le rapport de contrainte souhaité par l'utilisateur Rvisé (résultat du test 108) et tant que le rapport visé n'est pas atteint, il est procédé dans une étape 110 à l'incrémentation du ou des paramètres d'une valeur déterminée (le pas d'incrémentation) et il est fait retour à l'étape 104 pour un nouveau calcul par éléments finis sur la base de cette nouvelle valeur. Lorsque le rapport visé est enfin atteint (réponse oui au test de l'étape 108), la boucle d'optimisation du calcul par éléments finis est arrêtée et la géométrie finale de l'éprouvette en résultant avec ses paramètres finaux est alors délivrée dans une étape finale 112. Le tableau suivant donne des exemples de valeurs de ces paramètres pour des rapports de contraintes de -1 à -4. Les valeurs des paramètres sont des valeurs normalisées par rapport à une épaisseur et une largeur de référence. la lb le ea eb ec Qy/ox 2 1 2 1,49 1 1,49 -1 1 1 1 1,49 1 1,49 -2 1 1 1 1 1 1 -3 1 1 1 0,75 1 1,49 -4 Ainsi, on peut par exemple constater que lorsque l'éprouvette de l'invention présente des épaisseurs et largeurs identiques, on obtient un rapport de contraintes de -3. Bien entendu, les valeurs ne sont données qu'à titre indicatif et le procédé permet d'élaborer de façon simple des éprouvettes avec un rapport de contrainte négatif allant de -0,5 à -10 par pas de 0,1. FIG. 2 illustrates the various steps enabling the preparation of the fatigue test piece according to the invention. The first step 100 consists in defining the nominal geometry of the specimen to be produced by defining initial stresses on the parameters of this geometry, preferably defined according to the manufacture and necessary for obtaining the stress ratio R, namely the thicknesses ea, eb, ec and the widths la, lb, lc. For example, the same thickness ea = eb = ec and the same width la = lb = the for the branches and the sides or a thickness of the sides double that of the branches ea = 2 eb = 2 ec. Once these constraints and the resulting nominal geometry are defined, this geometry is the subject, in a step 102, of a 3D parameterization and then, in a step 104, it is applied to it a finite element calculation to generate a mesh of the specimen previously parameterized. It is then proceeded in a next step 106 to calculate the stress ratio R at the geometric center of the specimen, that is to say precisely at the intersection of these two branches in its thinned portion. Then, according to the stress ratio desired by the user Rvisé (result of the test 108) and until the target report is reached, it is proceeded in a step 110 to the incrementation of the parameter or parameters of a value determined (the step of incrementing) and it is returned to step 104 for a new finite element calculation on the basis of this new value. When the target report is finally reached (yes response to the test in step 108), the optimization loop of the finite element calculation is stopped and the final geometry of the resulting test piece with its final parameters is then delivered in a final step 112. The following table gives examples of values of these parameters for stress ratios from -1 to -4. The values of the parameters are normalized values with respect to a thickness and a reference width. the lb the water eb ec Qy / ox 2 1 2 1.49 1 1.49 -1 1 1 1 1.49 1 1.49 -2 1 1 1 1 1 1 -3 1 1 1 0.75 1 1, Thus, it can be seen, for example, that when the test piece of the invention has identical thicknesses and widths, a stress ratio of -3 is obtained. Of course, the values are only indicative and the method makes it possible to easily develop test pieces with a negative stress ratio ranging from -0.5 to -10 in steps of 0.1.

Une fois réalisée dans le matériau à tester, l'éprouvette selon l'invention peut être sollicitée par une traction alternée dans le sens de sa longueur de façon à créer une sollicitation de fatigue de préférence sur sa partie centrale, laquelle au bout d'un nombre de cycles à déterminer va entrainer des fissures puis une rupture du matériau nécessaire à la connaissance de son comportement en fatigue. Once made in the material to be tested, the test piece according to the invention can be biased by alternating traction in the direction of its length so as to create a fatigue stress preferably on its central part, which at the end of a number of cycles to be determined will cause cracks and a breakage of the material required to know its fatigue behavior.

Claims

REVENDICATIONS1. Fatigue test tube for characterizing the behavior of a material under the effect of a stress, characterized in that it is formed of a parallelepipedal bar of the material in question, part of which is machined to form a cross whose two limbs crossing at 90 ° at the geometric center of said bar are written in a polygon passing through the four ends of said branches.

2. Fatigue test piece according to claim 2, characterized in that each branch of said cross has the same determined length.

3. Fatigue test piece according to claim 1 or claim 2, characterized in that said polygon is a diamond having four sides and four vertices, said four ends of said branches ending at said four vertices.

4. Fatigue test piece according to claim 3, characterized in that each branch of said cross has a different width.

5. Fatigue test piece according to claim 4, characterized in that each side has the same determined width and different from said widths of each branch of said cross.

6. Fatigue test piece according to claim 3, characterized in that each branch of said cross has a different thickness.

7. Fatigue test piece according to claim 6, characterized in that each side has the same thickness determined and different from said thicknesses of each branch of said cross.

8. Fatigue test piece according to claim 3, characterized in that each of said sides and each of said branches has the same determined thickness corresponding to the thickness of the bar.

9. A method of producing a fatigue specimen in a parallelepipedal bar of the material to be characterized comprising a cross whose two branches intersecting at 90 ° at the geometrical center of said bar are inscribed in a polygon passing through the four ends of said branches. comprising the following steps:. definition of a nominal specimen geometry and parameterization of this nominal geometry in three dimensions,. generating a mesh by finite element calculation from the previously defined geometry,. determining a stress ratio (R) at said geometric center,. as long as a desired stress ratio (RV1Se) is not reached, incrementing one of the parameters of said geometry by a determined step and generating a new mesh,. once said desired stress ratio (R) has been reached, determining a final specimen geometry.

10. The method of claim 9, characterized in that said stress ratio is selected between -0.5 and -10.

11. The method of claim 9, characterized in that said incrementation is performed in steps of 0.1.

12. A method for determining the behavior of a material with fatigue according to two axes of stress, characterized in that it consists in subjecting a test piece formed of said material according to any one of claims 1 to 8 to a uniform alternating traction. axial of the direction of its length.