Guide essentiel de l'installation des fixations : Pourquoi la charge de serrage est toujours supérieure au couple de serrage

Le vrai secret de la solidité des boulons : Pourquoi la charge de serrage est plus importante que le couple de serrage

La chose la plus importante dans un assemblage boulonné n'est pas la force avec laquelle vous tournez la clé, mais la force avec laquelle le boulon serre les pièces ensemble. Cette idée va à l'encontre de ce que de nombreuses personnes ont appris au fil des ans, où les clés dynamométriques et les pistolets à percussion sont les principaux outils que tout le monde utilise. Cependant, le fait de ne pas comprendre les principes scientifiques de base qui sous-tendent le fonctionnement des boulons est l'une des principales causes de défaillance des assemblages, qu'il s'agisse de boulons qui se desserrent sous l'effet des vibrations ou de ruptures totales. Pour assurer la sécurité d'un assemblage, il s'agit en fait de contrôler l'étirement du boulon, et non pas simplement d'appliquer une force de rotation.

Ce guide va au-delà des simples instructions "comment faire" pour expliquer les principes d'ingénierie qui permettent à l'installation de fixations de fonctionner correctement. Le couple n'est qu'une donnée - un moyen indirect et souvent peu fiable d'atteindre le véritable objectif : la charge de serrage. La tension créée dans la fixation est la force qui maintient les pièces ensemble, résiste aux forces extérieures et assure la solidité de la structure.

Nous explorerons les principes physiques de base de la charge de serrage, nous décomposerons la relation complexe entre le couple et la tension, et nous examinerons les facteurs critiques qui sont souvent négligés mais qui peuvent ruiner la fiabilité d'un joint. Nous comparerons ensuite différentes méthodes d'installation d'un point de vue technique et examinerons les schémas de défaillance courants sous l'angle de la science de l'installation. Ce guide vous apportera les connaissances nécessaires pour diagnostiquer les problèmes, concevoir des assemblages plus solides et prévenir les défaillances avant qu'elles ne se produisent.

Le principe de base : Charge de serrage

Pour maîtriser l'installation des fixations, nous devons passer de la méthode (couple) à l'objectif final (charge de serrage). Ce concept de base, également appelé précharge, est le facteur le plus important de la performance, de la fiabilité et de la durée de vie d'un assemblage boulonné. C'est le fondement sur lequel reposent tous les autres principes.

Qu'est-ce que la charge de serrage ?

La charge de serrage est la tension créée dans une fixation lorsqu'elle est serrée. Imaginez le boulon ou la vis comme un ressort de précision très rigide. Lorsque vous tournez l'écrou, vous étirez ce ressort. La force appliquée par le boulon étiré, qui tente de revenir à sa longueur initiale, est ce qui serre les pièces de l'articulation. Cette force de traction interne est la charge de serrage. C'est cette force, et non la capacité de la fixation à résister aux forces latérales, qui maintient principalement une articulation rigide et empêche tout mouvement.

Les principales fonctions de la charge de serrage sont déterminantes pour le bon fonctionnement de l'articulation :

• Résistant aux charges latérales extérieures grâce à la friction créée entre les surfaces serrées.
• Prévenir la séparation des joints lorsqu'ils sont soumis à des charges de traction extérieures.
• Améliorer la durée de vie en fatigue en réduisant les variations de contraintes subies par le boulon sous l'effet de charges répétées.
• Assurer une étanchéité fiable dans les joints d'étanchéité en maintenant une pression constante.

Les dangers d'une mauvaise charge de serrage

Obtenir la charge de serrage *correcte* est un exercice d'équilibre. L'objectif est généralement un pourcentage élevé de la résistance à l'épreuve de la fixation - le point juste avant qu'elle ne commence à s'étirer de façon permanente. S'éloigner de cette cible, dans un sens ou dans l'autre, est synonyme d'échec.

Si la charge de serrage est trop faible, l'articulation est fragile. Elle peut entraîner un desserrage dû aux vibrations, car de minuscules mouvements surmontent l'adhérence par frottement et permettent à l'écrou de reculer. Elle peut entraîner le glissement des articulations soumises à des forces latérales, ce qui conduit à l'usure et à la fatigue. Dans un assemblage soumis à des forces de traction répétées, une faible précharge signifie que le boulon subit des variations de contrainte beaucoup plus importantes, ce qui réduit considérablement sa durée de vie en fatigue. Un signe évident d'un assemblage insuffisamment serré est souvent la présence de corrosion de contact, qui apparaît sous la forme d'une poudre brun rougeâtre ou noire qui s'échappe d'entre les surfaces d'accouplement.

D'autre part, si la charge de serrage est trop élevée, la fixation elle-même est en danger. Une tension trop forte peut étirer le boulon au-delà de sa limite d'élasticité, entraînant des dommages permanents et une perte de force de serrage. Dans un cas plus extrême, elle peut provoquer une rupture immédiate pendant l'installation. Ce serrage excessif peut également entraîner le dénudage du filetage de l'écrou ou du trou taraudé, voire écraser ou endommager les pièces serrées, en particulier s'il s'agit de matériaux plus tendres. Du point de vue de l'installateur, un signe évident de serrage excessif est une sensation soudaine de "spongiosité" ou de "facilité" lorsque la clé continue à tourner sans augmentation correspondante de la résistance. Cela indique que les filets sont en train de céder et de s'effilocher.

La relation couple-tension

Étant donné que la charge de serrage est une force de traction directe et que le couple est une force de rotation, comment l'une se traduit-elle par l'autre ? Cette conversion est la source de la plupart des incertitudes dans l'installation des fixations. La méthode la plus courante pour contrôler la précharge consiste à appliquer une quantité spécifique de couple, mais il s'agit d'une science indirecte et imprécise régie par un facteur principal et très variable : la friction.

Formule de calcul du couple

La relation entre le couple et la tension résultante est généralement estimée à l'aide de l'équation abrégée :

T = K x D x F

Il est essentiel de comprendre chaque variable pour apprécier les limites de la formule :

• T = Couple cible : La force de rotation appliquée à l'écrou ou à la tête du boulon, généralement mesurée en newtons-mètres (Nm) ou en pieds-livres (ft-lbs).
• K = Facteur d'écrasement / Coefficient de frottement : Un nombre sans unité qui tient compte de tous les effets de frottement et de géométrie dans le joint. Il s'agit de la composante la plus critique et la plus variable.
• D = Diamètre nominal du boulon : Le diamètre principal de la fixation, mesuré en millimètres (mm) ou en pouces (in).
• F = Charge de serrage cible / Précharge : La tension de traction souhaitée dans la fixation, mesurée en Newtons (N) ou en livres-force (lbs).

Le problème du "facteur K

Bien que la formule paraisse simple, sa précision dépend entièrement du facteur K. Ce chiffre unique tente de combiner toutes les forces de frottement complexes et interactives au sein de l'articulation. Ce chiffre unique tente de combiner toutes les forces de frottement complexes et interactives au sein de l'articulation. Lorsque vous appliquez un couple à une fixation, l'énergie n'est pas convertie efficacement en charge de serrage utile. Une décomposition typique de l'énergie du couple révèle une inefficacité choquante :

• Environ 50% du couple appliqué est utilisé simplement pour surmonter la friction entre la tête de l'écrou ou du boulon en rotation et la surface qu'il serre.
• Environ 40% est utilisé pour surmonter le frottement entre les filetages mâle et femelle.
• Seuls les 10% restants du couple appliqué font le travail utile d'étirement du boulon pour générer une charge de serrage.

Cette perte d'énergie 90% due au frottement est non seulement inefficace, mais le frottement lui-même est hautement imprévisible. Le facteur K n'est pas une constante universelle ; c'est une variable qui change radicalement en fonction d'un large éventail de conditions. C'est la raison principale pour laquelle le contrôle de la charge de serrage par le seul couple peut avoir une variation de ±25% ou même plus, même dans des environnements apparemment contrôlés.

Tableau 1 : Facteurs d'écrasement typiques

Pour illustrer cette variabilité, le tableau suivant fournit des fourchettes approximatives du facteur K pour des conditions de fixation courantes. Ces valeurs sont des exemples et peuvent être influencées par de nombreux facteurs. Pour obtenir des données définitives, il est recommandé de consulter une ressource telle que le manuel de l'Industrial Fasteners Institute (IFI).

Comme le montre le tableau, le simple fait de changer le revêtement de la fixation ou d'ajouter un lubrifiant peut modifier le facteur K de 100% ou plus. Si la valeur du couple n'est pas ajustée en conséquence, la charge de serrage résultante sera dangereusement erronée.

Variables d'installation critiques

Le facteur K donne un aperçu des complexités du frottement, mais une installation de fixation vraiment fiable nécessite une compréhension plus approfondie de toutes les variables du monde réel qui influencent la relation couple-tension. Ces facteurs ne sont pas académiques ; ils sont présents dans chaque articulation et doivent être pris en compte pour obtenir une charge de serrage prévisible et sûre.

Le rôle de la lubrification

La lubrification est la variable la plus importante qui affecte le facteur K et, par conséquent, la charge de serrage obtenue pour un couple donné. Le rôle d'un lubrifiant est de réduire le frottement. Comme nous l'avons vu, avec 90% d'énergie de couple perdue à cause du frottement, même un petit changement dans le frottement a un effet massif sur les 10% qui génèrent la précharge.

Le scénario le plus dangereux dans l'installation de fixations est l'application non spécifiée d'un lubrifiant. Si un ingénieur spécifie une valeur de couple basée sur un état sec, tel quel (par exemple, K = 0,20), et qu'un technicien applique un composé antigrippant ou de l'huile (par exemple, nouveau K = 0,12), le résultat est catastrophique. Le même couple produira une charge de serrage nettement plus élevée, dépassant probablement la limite d'élasticité du boulon et provoquant des dommages permanents ou une défaillance immédiate. Les spécifications de couple doivent toujours être associées à un état de lubrification clair : à sec ou avec un lubrifiant spécifique et désigné.

Tableau 2 : Impact de la lubrification

Ce tableau montre l'effet spectaculaire de la lubrification. Nous supposons qu'un couple constant de 100 pieds-livres est appliqué à un boulon hypothétique, et que seules les conditions de lubrification changent.

Comme on le voit, l'application d'une pâte courante à base de molybdène peut doubler la charge de serrage résultante pour le même couple d'entrée, transformant un couple correctement spécifié en une surcharge entraînant une défaillance.

Autres variables clés

Au-delà de la lubrification, plusieurs autres facteurs contribuent à la variabilité du facteur K.

• Finition de surface et placage : La texture minuscule de la surface des roulements et des filetages joue un rôle majeur. Les surfaces rugueuses, comme celles que l'on trouve sur les fixations galvanisées à chaud, créent plus de frottement et un facteur K plus élevé et plus variable. Les surfaces plus lisses, telles que celles recouvertes d'un revêtement de cadmium ou de zinc, réduisent le frottement et entraînent un facteur K plus faible.
• Tolérances des fixations et des trous : L'ajustement entre les composants est important. Un boulon placé dans un trou bien dégagé subira plus de frottement sous la tête qu'un boulon placé dans un trou mal ajusté. Plus important encore, les filetages endommagés, sales ou mal formés présenteront un frottement extrêmement élevé et irrégulier, utilisant la quasi-totalité de l'énergie du couple et ne produisant pratiquement aucune charge de serrage.
• Vitesse d'installation : la vitesse de serrage influe sur la friction. Les outils à grande vitesse, comme les clés à chocs pneumatiques, génèrent une chaleur importante. Cette chaleur peut modifier les propriétés du lubrifiant (s'il est présent) et des surfaces métalliques pendant le serrage, ce qui entraîne des résultats irréguliers d'un boulon à l'autre. Un serrage plus lent, continu et contrôlé, comme avec une clé hydraulique ou une clé manuelle calibrée, donne des résultats beaucoup plus précis et reproductibles.
• Réutilisation des fixations : Le resserrage d'une fixation usagée n'est généralement pas recommandé pour les applications critiques. Le premier cycle de serrage brûle, ou polit, le filetage et les surfaces d'appui sous la tête. Ce processus lisse de façon permanente les surfaces, réduisant ainsi la friction lors des installations ultérieures. L'utilisation du couple de serrage original de la "nouvelle fixation" sur une fixation réutilisée entraînera un facteur K plus faible et une charge de serrage plus élevée, potentiellement dangereuse.
• Type de matériau : Le coefficient de frottement est une propriété d'une paire de matériaux. Un boulon en acier serré contre une surface en acier aura un facteur K différent de celui du même boulon en acier serré contre une surface en aluminium ou en fonte. Ceci doit être pris en compte dans la conception du joint et la spécification du couple.

Comparaison des méthodes de serrage

Compte tenu de l'imprécision inhérente à la méthode de contrôle du couple, les ingénieurs ont mis au point plusieurs techniques alternatives d'installation des fixations. Le choix de la méthode dépend de la criticité du joint, de la précision requise pour la charge de serrage, du coût et de l'accessibilité. Chaque méthode a une approche différente pour gérer ou contourner le problème du frottement.

Méthode 1 : Contrôle du couple

C'est la méthode la plus répandue en raison de sa simplicité et de son faible coût. Elle repose entièrement sur la formule T=KDF et sur une clé dynamométrique étalonnée. Le principe est que si l'on connaît K, D et la F souhaitée, on peut calculer et appliquer un couple cible T.

Sa principale faiblesse est sa dépendance totale à l'égard du facteur K, qui est extrêmement variable. Comme cela a été établi, des changements non pris en compte dans la lubrification, la finition de surface ou d'autres facteurs peuvent conduire à des écarts massifs par rapport à la charge de serrage cible. La précision typique, ou la dispersion de la charge de serrage, pour cette méthode est souvent citée comme étant de ±25% à ±35%, ce qui la rend inadaptée à de nombreuses applications critiques où la précharge est primordiale.

Méthode 2 : Tour d'écrou

Également connue sous le nom de contrôle de l'angle, cette méthode est nettement plus précise car elle élimine en grande partie la friction de l'équation de serrage final. Le processus se déroule en deux étapes. Tout d'abord, la fixation est serrée jusqu'à ce qu'elle soit "bien serrée", c'est-à-dire jusqu'à ce que tout le jeu dans le joint soit éliminé et que les surfaces d'appui soient fermement en contact. Cela nécessite un couple de démarrage relativement faible et uniforme. Ensuite, à partir de ce point de départ, l'écrou est tourné d'un angle spécifique prédéterminé (par exemple, 1/2 tour, 2/3 tour).

Une fois que l'articulation est bien serrée, toute rotation supplémentaire étire directement le boulon le long de sa courbe élastique. Cette relation entre la rotation et l'allongement est une propriété géométrique et est indépendante du frottement. La précision de la méthode, généralement de l'ordre de ±15%, en a fait la norme pour l'érection des structures en acier dans les bâtiments et les ponts, comme le spécifient des organisations telles que l'American Institute of Steel Construction (AISC).

Méthode 3 : Indication directe de la tension

Les méthodes les plus précises sont celles qui tentent de mesurer la charge de la pince directement, ou par l'intermédiaire d'un substitut très proche, plutôt que de la déduire d'une donnée d'entrée telle que le couple.

• Étirement des boulons : Il s'agit de la méthode la plus précise disponible. Elle traite le boulon comme un ressort et mesure son changement de longueur. La longueur initiale de la fixation est mesurée avec précision à l'aide d'un micromètre. Après le serrage, elle est à nouveau mesurée. En utilisant les propriétés matérielles et la géométrie connues du boulon, cet allongement peut être directement et très précisément converti en charge de serrage. La précision peut aller de ±3% à ±5%.
• Rondelles à indication directe de tension (DTI) : Il s'agit de rondelles spécialisées et brevetées dont l'une des faces présente de petites bosses. La rondelle DTI est placée sous la tête du boulon ou de l'écrou. Lorsque le boulon est serré, les bosses sont aplaties par la force de serrage. La précharge correcte est confirmée lorsqu'une jauge d'épaisseur ne peut plus être insérée dans l'espace créé par les bosses. Cela donne une confirmation visuelle et tactile directe que la tension minimale requise a été atteinte, avec une précision souvent de l'ordre de ±10%.

Tableau 3 : Comparaison des méthodes de serrage

Ce tableau résume les principales caractéristiques de chaque méthode d'installation et fournit un cadre pour la sélection en fonction des exigences de l'application.

Analyse des modes de défaillance

L'incapacité à comprendre et à appliquer les principes d'installation des fixations conduit directement à des modes de défaillance prévisibles et souvent graves. En examinant ces défaillances, nous pouvons voir les conséquences réelles d'une erreur scientifique et renforcer l'importance d'une approche axée sur la charge de serrage.

Défaillance par relâchement vibratoire

Il s'agit du mode de défaillance le plus courant pour les joints soumis à des vibrations ou à des charges latérales répétées. La cause technique est une charge de serrage insuffisante. La charge de serrage génère une force de frottement entre les surfaces de l'articulation qui s'oppose à tout mouvement de glissement. Si une force latérale extérieure est suffisamment importante pour surmonter cette force de frottement, un glissement minime se produit. Ce glissement décharge momentanément les filets, ce qui permet à l'écrou de tourner dans une très faible mesure. Sur des milliers ou des millions de cycles, ces minuscules rotations s'additionnent, entraînant une perte totale de précontrainte et la séparation de l'articulation. Il s'agit d'une conséquence directe de la spécification d'une charge de serrage trop faible ou, plus fréquemment, de l'impossibilité d'atteindre la charge de serrage spécifiée en raison d'une sous-estimation du frottement (surestimation du facteur K).

Échec par surcharge

Cette catégorie comprend le dénudage des filets et la rupture des attaches pendant ou après l'installation. La cause technique est une charge de serrage excessive. Cela se produit lorsque la contrainte de traction induite dans le boulon dépasse les limites de son matériau. Si la contrainte dépasse la limite d'élasticité du boulon, celui-ci s'étire de façon permanente, perdant ses propriétés élastiques et sa capacité à maintenir la charge de serrage. Si la contrainte dépasse la résistance à la traction, le boulon se rompt.

C'est le résultat classique d'une sous-estimation du facteur K. La cause la plus fréquente, comme nous l'avons vu, est l'application d'un lubrifiant sur un assemblage avec une spécification de couple "sec". Un installateur utilisant une clé dynamométrique ressentira la résistance attendue, mais la réduction du frottement signifie qu'une proportion beaucoup plus importante de ce couple est convertie en étirement du boulon. L'installateur peut ressentir une perte soudaine de résistance - une sensation "molle" ou "molle" - alors que la clé dynamométrique continue à tourner. Il s'agit d'un avertissement critique indiquant que les filets de la fixation ou les filets du matériau de base sont en train de se cisailler et de s'arracher.

Échec par fatigue

La rupture par fatigue est un mode plus subtil et plus dangereux qui se produit dans les assemblages soumis à des charges de traction répétées. La durée de vie en fatigue d'un boulon dépend essentiellement de l'obtention d'une charge de serrage initiale élevée. Lorsqu'un assemblage est correctement préchargé, les composants serrés sont comprimés. Lorsqu'une charge de traction extérieure est appliquée, elle doit d'abord surmonter cette compression avant de commencer à ajouter une charge supplémentaire significative au boulon. Par conséquent, un boulon fortement précontraint ne subit qu'une petite fraction des variations de la charge extérieure.

Si la charge de serrage initiale est faible, le boulon est soumis à une plage de contraintes beaucoup plus importante à chaque cycle de charge. Ce chargement et déchargement répétés, même si la contrainte maximale est bien inférieure à la résistance ultime du boulon, provoque l'apparition et la croissance d'une fissure microscopique, généralement au niveau d'un point de concentration de contraintes comme le premier engagement du filetage. Au fil du temps, cette fissure se développe jusqu'à ce que la section transversale restante du boulon ne puisse plus supporter la charge et qu'il se rompe soudainement et sans avertissement. Il s'agit d'une défaillance directe de la charge de serrage. Un assemblage qui semble sûr au moment de l'installation peut devenir une bombe à retardement si la précharge est insuffisante.

Conclusion : Adopter la mentalité de la charge de la pince d'abord

Le voyage à travers la science de l'installation des fixations révèle une vérité claire et indéniable : les assemblages boulonnés réussis et fiables sont conçus en se concentrant sur la charge de serrage, et non en appliquant aveuglément une valeur de couple tirée d'un tableau. Nous avons vu que le couple n'est qu'un moyen indirect, inefficace et très variable d'atteindre un objectif. Le véritable travail de sécurisation d'un assemblage est effectué par la tension, ou précharge, générée dans la fixation.

La fiabilité de la méthode d'installation la plus courante, le contrôle du couple, est entièrement à la merci du frottement. Comprendre et contrôler soigneusement les variables qui influencent ce frottement - lubrification, état de surface, vitesse d'installation et état du matériau - n'est pas une option, c'est une exigence non négociable pour toute application critique. Lorsque les conséquences d'une défaillance sont importantes, nous devons passer à des méthodes plus fiables telles que le tour d'écrou ou l'indication directe de la tension.

Les principes exposés ici constituent la base de la prévention du desserrement vibratoire, des défaillances dues à la surcharge et de la fatigue catastrophique. En comprenant ces connaissances, les ingénieurs, les techniciens et les concepteurs peuvent aller au-delà des pratiques dépassées et garantir la sécurité et l'intégrité de leurs assemblages mécaniques. Pour chaque articulation critique, il faut cesser de se demander "Quel est le couple ?" et commencer à se demander "Quelle est la charge de serrage requise et quelle est la méthode la plus fiable pour l'obtenir ?"

• https://www.engineeringtoolbox.com/ Engineering ToolBox - Calculateurs de couple de boulons et de charges de serrage
• https://www.sae.org/ SAE International - Normes de couple-tension pour les fixations
• https://www.portlandbolt.com/ Boulons Portland - Tableaux des couples de serrage des boulons techniques
• https://www.engineersedge.com/ Engineers Edge - Tables de couples de serrage et calculs de fixations
• https://www.nord-lock.com/ Nord-Lock Group - Ressources techniques sur la précharge et la force de serrage
• https://webstore.ansi.org/ ANSI - American National Standards for Fastener Torque (Normes nationales américaines pour le couple de serrage)
• https://www.iso.org/ ISO - Normes internationales pour les fixations filetées
• https://mechanicalc.com/ MechaniCalc - Référence pour l'analyse des assemblages boulonnés
• https://engineering.stackexchange.com/ Engineering Stack Exchange - Questions et réponses sur l'ingénierie des fixations
• https://www.aftfasteners.com/ AFT Fasteners - Guide de référence pour les couples de serrage des boulons