Accumulation progressive de déformation plastique incrémentale dans une structure ou un composant soumis à des chargements cycliques présentant une moyenne non nulle (biais) qui produit une déformation nette par cycle, conduisant après de nombreux cycles à une déformation géométrique, perte de fonction et défaillance éventuelle.

Principe

Lorsque des excursions cycliques de contrainte ou de déformation dépassent la surface d'élasticité du matériau de manière à provoquer un écoulement plastique asymétrique (déformation irréversible), chaque cycle ajoute un incrément résiduel ; si ces incréments s'accumulent plus rapidement que tout mécanisme de relaxation ou de shakedown, la déformation par ratcheting croît jusqu'aux limites admissibles.

Démonstration

Scénario illustratif : une conduite à paroi mince sous pression répétée avec une contrainte moyenne de traction développe à chaque cycle une petite augmentation de la déformation circonférentielle. Après des milliers de cycles, le rayon augmente, les appuis se déplacent, provoquant un désalignement puis un amincissement à travers la paroi ou un effondrement local au niveau d'une concentration de contrainte.

Mauvaise application

Confondre ratcheting et fatigue haute fréquence : la fatigue décrit l'amorçage et la propagation de fissures sous cycles, alors que le ratcheting est une accumulation de déformation plastique sans fissuration nécessairement jusqu'à un stade avancé ; ce sont des mécanismes distincts pouvant interagir.

Conséquence

Variation dimensionnelle progressive, perte d'alignement ou de précontrainte, augmentation des contraintes locales et concentrations, réduction des jeux ou interférences fonctionnelles, et défaillance structurelle éventuelle par effondrement, déformation excessive ou accélération de la fissuration par fatigue due à la redistribution des contraintes.

Inversion

Si la contrainte moyenne est supprimée ou si le chargement s'inverse suffisamment (shakedown élastique), la plasticité incrémentale peut cesser et la structure se stabiliser ; un recuit thermique, un changement du chemin de déformation du matériau ou des modifications de conception réduisant la charge moyenne peuvent inverser ou arrêter le ratcheting.

Limite

Clairement inclus : bride boulonnée avec joint soumise à cycles de pression interne et charge moyenne de traction montrant augmentation monotone de l'allongement des boulons. Cas frontière : cycles d'amplitude faible proches de la limite élastique où une microplasticité existe mais l'accumulation nette est lente et un shakedown peut s'instaurer. Clairement exclu : chargement cyclique purement élastique sans accumulation de déformation résiduelle, ou propagation isolée d'une fissure par fatigue sans ratcheting plastique global mesurable.

Tension sémantique

Les concepteurs doivent arbitrer entre tolérer une plasticité pour l'absorption d'énergie et ductilité et le risque que des cycles à moyenne non nulle accumulent une déformation ; augmenter la limite d'élasticité réduit le ratcheting mais peut favoriser des modes de rupture plus fragiles ou diminuer la ténacité.

Synthèse

Le ratcheting est la conséquence géométrique à long terme de la plasticité cyclique asymétrique : contrôler la charge moyenne, confiner les zones plastiques contrôlées ou assurer un shakedown élastique sont des stratégies clés pour prévenir la déformation progressive et les défaillances secondaires qui en découlent.