Serrer davantage prolonge-t-il la durée de vie ? Deux assemblages, deux réponses

La raison habituellement donnée n’est pas la bonne

L’explication courante veut qu’une précharge plus élevée fasse reprendre au boulon une plus petite part de la charge extérieure, réduise son amplitude de contrainte et donc la fatigue. La conclusion est assez souvent juste. Le mécanisme est faux.

Tant que l’assemblage reste fermé et que les deux éléments ont un comportement linéaire, l’effort supplémentaire dans le boulon vaut ΔF_b = Φ · F_A. Φ dépend des raideurs du boulon et des pièces serrées ainsi que du point d’introduction de la charge. La précharge n’y apparaît pas. Serrer davantage augmente la contrainte moyenne du boulon sans modifier l’amplitude.

Bickford énonce clairement la conséquence gênante : si l’assemblage ne devait jamais se séparer à la charge de service maximale, augmenter la précharge ne réduit pas l’amplitude de charge et la contrainte moyenne supérieure peut réduire la durée de vie en fatigue.

C’était l’assemblage en traction. L’assemblage à recouvrement fonctionne autrement.

Tout ce qui précède suppose que la charge agit suivant l’axe du boulon et que le point critique de fatigue est le fond du filet. Dans un assemblage à recouvrement, la charge traverse le boulon : deux plaques sont serrées face contre face et se transmettent la charge.

Ici, la précharge remplit une fonction entièrement différente. Elle presse les surfaces de contact afin que le frottement transmette l’effort tranchant, empêche les plaques de glisser et évite l’appui du boulon sur le côté du trou. La fissure de fatigue démarre dans la plaque, pas dans le boulon, et la précharge commande la manière dont les plaques frottent.

Dans cet assemblage, augmenter le couple cesse d’aider, puis devient nuisible

Wagle et Kato ont testé des éprouvettes à recouvrement en aluminium A2024-T3 : plaques de 4 mm, trou de 6.03 mm, boulon de classe 12.9 de 5.95 mm, jeu d’environ 80 µm, 10 Hz et R = 0.05. À une amplitude de contrainte de 15 MPa, le mode de rupture évoluait avec le couple :

Les fissures se situaient à l’interface de contact des deux plaques, environ 1.8–2.1 mm devant le trou. Ni au fond du filet ni dans le boulon. Un serrage supérieur augmente la pression de contact et le frottement transmissible, déplaçant l’endommagement de la paroi du trou vers la frontière adhérence-glissement de l’interface, où le microglissement local sous forte pression amorce la fissure.

Une preuve indépendante et un cas où le couple n’a rien changé

Juoksukangas et ses collègues observent la même tendance avec un montage différent : la durée de vie en fatigue de contact diminue lorsque la précharge et la contrainte nominale augmentent. L’inversion n’est donc pas l’artefact d’un seul essai.

La mise en garde opposée vient de Mínguez et Vogwell, qui ont testé des assemblages en aluminium à simple et double recouvrement. Dans les éprouvettes à double recouvrement, l’augmentation du couple améliorait nettement la durée de vie. Dans celles à simple recouvrement, passer de 1 à 6 N·m n’apportait aucune amélioration significative, car la flexion excentrée dominait la géométrie. Le mécanisme par lequel une pièce flexible amplifie l’effort dans le boulon est l’effet de levier ; voir le boulon peut subir deux fois la charge appliquée. Même matériau, même famille d’assemblage, sensibilité opposée au paramètre réglé.

Ce que l’on peut en retenir, et ce que l’on ne peut pas

Il s’agit d’essais sur plaques à recouvrement, avec transfert de cisaillement et rupture de la pièce serrée. Ils ne se transposent ni aux assemblages en traction dont le fond du filet est le point critique, ni aux brides et joints d’étanchéité, ni aux composites ou aux pièces serrées tendres, ni aux assemblages où des pions ou un ajustement serré transmettent le cisaillement. La rugosité, la lubrification, le revêtement, le jeu du trou et l’épaisseur de plaque déplacent tous les chiffres.

Les normes n’en font pas non plus une règle générale. ISO 898-1 ne spécifie explicitement aucune performance en fatigue. ISO 3800 est une méthode d’essai de fatigue axiale qui ne tient pas compte de la souplesse des pièces serrées. VDI 2230-1 demande d’éviter le microglissement à l’interface et la corrosion de contact — le même problème —, mais n’affirme pas qu’une précharge supérieure plafonne généralement la durée de vie par fatigue de contact.

Cet article ne relève pas d’une seule des six étapes : il en traverse plusieurs ou intervient après l’assemblage. Les décisions qui y conduisent sont présentées dans l’article anglais Specifying a screw.

Questions fréquentes

Le conseil de serrer correctement pour la tenue en fatigue est-il donc faux ?

Non, mais sa justification habituelle l’est. Dans un assemblage en traction qui reste fermé, l’amplitude de charge du boulon est le facteur de charge multiplié par la charge extérieure ; la précharge n’intervient pas. Serrer davantage augmente donc la contrainte moyenne sans changer l’amplitude. Le véritable avantage est qu’une précharge suffisante évite la séparation, laquelle fait bondir l’amplitude. Bickford note que si la séparation ne devait jamais se produire, une précharge supérieure peut réduire la durée de vie en augmentant la contrainte moyenne.

À quel couple l’inversion se produit-elle ?

Il n’existe aucun chiffre transposable, et en citer un serait la principale manière de mal employer ces résultats. Dans les éprouvettes en aluminium de Wagle et Kato, à 15 MPa d’amplitude, la rupture à 1 N·m était une fatigue mécanique au trou, à 3 N·m une usure de contact et à 8 N·m une fatigue de contact avec diminution de la durée de vie. Ces valeurs appartiennent à ce matériau, cette épaisseur, ce jeu et ce chargement. Le couple de transition augmente aussi avec l’amplitude de contrainte.

Cela signifie-t-il que le fretting est un problème de filet ?

Pas dans ces résultats. Les fissures se trouvaient à l’interface des deux plaques, environ 1.8 à 2.1 mm devant le trou : dans la pièce serrée, pas dans la fixation. Le fretting peut apparaître sous un écrou ou une rondelle, et les interfaces filetées peuvent s’user sous vibration et perdre leur précharge, mais ce sont d’autres emplacements que celui de l’inversion décrite ici.

Un assemblage à simple recouvrement se comporte-t-il comme un double recouvrement ?

Non. Mínguez et Vogwell ont observé une amélioration nette avec le couple sur les éprouvettes à double recouvrement, mais aucune amélioration significative de 1 à 6 N·m sur celles à simple recouvrement, car la flexion excentrée dominait. Si l’assemblage est asymétrique, la flexion qu’il induit peut compter davantage que le serrage.

Références

• Wagle, S. & Kato, H. (2009). Ultrasonic detection of fretting fatigue damage at bolt joints of aluminium alloy plates. International Journal of Fatigue, 31, 1378–1385
• Mínguez, J. M. & Vogwell, J. (2006). Effect of torque tightening on the fatigue strength of bolted joints. Engineering Failure Analysis, 13(8), 1410–1421
• Juoksukangas, J., Lehtovaara, A. & Mäntylä, A. (2016). Applying the fretting fatigue damage parameter to bolted joints. Tribology International, 103, 440–448
• ISO 898-1 — Mechanical properties of fasteners: bolts, screws and studs (ne spécifie aucune performance en fatigue)

L’expression de partage de charge et l’argument de séparation suivent VDI 2230-1 et le chapitre 17 de Bickford. La succession des modes de rupture et l’emplacement des fissures viennent des éprouvettes de Wagle et Kato décrites ci-dessus et leur sont propres ; il n’existe aucun couple de transition général.