UMET - Endommagement par fatigue

Mise en place d'un extensomètre sur une éprouvette de fatigue

 

Fatigue flexion 4 points

 

Machine de fatigue oligocyclique équipée d’un extensomètre à chaud et d’un four à rayonnement

 

Les essais de fatigue sont réalisés en asservissant la force ou la déformation, en traction-compression ou en flexion. Les essais de fatigue oligocyclique sont asservis en déformation et nécessitent donc de disposer d’une machine servo contrôlée (hydraulique ou électromécanique) et d’extensomètres.

Nos moyens d’essais comprennent:

• 4 machines de fatigue oligocyclique (250kN, 100kN, 50kN, 25kN)
• Extensométrie à jauges de déformation – gamme de température: -196°C à + 600°C
• Système d’acquisition de champs de déplacements (DIC)
• Fours à convection, à rayonnement ou par induction

Fatigue oligocyclique en traction-compression sur éprouvette d’épaisseur 350µm

 

Eprouvette « habillée » d’une bobine de fil de cuivre pour mesure de propriétés magnétiques après fatigue. Collaboration avec Dr. Abdelkader BENABOU L2EP, Université de Lille

 

Fatigue oligocyclique en présence de métal liquide sous atmosphère contrôlée

 

Les essais de fatigue sont réalisés en respectant les normes d’essai (AFNOR, DIN, ASTM...). Cependant, le matériau à étudier est parfois disponible sous certaines dimensions (épaisseur faible par exemple) ne permettant pas de réaliser l’essai selon la norme. Et, pour certains milieux (comme les métaux liquides), la norme est absente.

Les montages doivent être mis au point afin de réaliser les expériences extraordinaires (milieux aqueux, métal liquide, atmosphère contrôlée).

Les propriétés fonctionnelles des matériaux peuvent évoluer avec la sollicitation cyclique. Les éprouvettes de fatigue doivent être «équipées» de composant permettant de mesurer ces propriétés.

Adoucissement continu à faibles variations de déformation
Durcissement-adoucissement à variations de déformation élevées

 

Densité élevée de débris de dislocations à faible Δε_t « Bandes » de déformation dans certains grains et densité élevée de débris de dislocations dans d’autres grains à Δε_t élevée

 

J. Bouquerel, M. Delbove, J.-B. Vogt, Advanced processing of EBSD data to distinguish the complex microstructure evolution of a Cu-Ni-Si alloy induced by fatigue, Mater. Charact. (2018) 145 pp. 556-562 [doi: 10.1016/j.matchar.2018.09.017]

 

Δε_t élevé

• Formation de cellules → durcissement
• Parois de cellule: sources & puits de dislocations
• cisaillement des précipités
• adoucissement
• germination des « bandes » de déformation
→ instabilité des cellules
• Propagation des bandes

 

Grâce à l’optimisation de la composition chimique et du traitement thermique, les alliages Cu-Ni-Si possèdent une limite d’élasticité élevée.

Avec un bon compromis entre propriétés mécaniques, thermiques et électriques, les alliages CuNi2Si à durcissement structural par précipitation sont notamment employés pour la maintenance ferroviaire . Ils sont donc soumis au passage des trains qui génèrent des sollicitations cycliques.

Dans cette étude, nous nous sommes posés la question du maintien des propriétés mécaniques avec une sollicitation cyclique et des mécanismes de déformation cyclique afin de maitriser le domaine de fiabilité des composants faits de cet alliage.

Ce travail a constitué la thèse de Maxime DELBOVE en collaboration avec l’entreprise LBI .

Localisation de la déformation plastique à l’échelle micro-mésoscopique et conséquence sur l’amorçage des fissures
Δε_t < 0.7%, amorçage transgranulaire
Δε_t > 0.7%, amorçage intergranulaire

 

Localisation de déformation au joint de grain et rupture intergranulaire étudiée par MET, MEB-EBSD, MEB-ECCI

 

Transition amorçage transgranulaire → amorçage intergranulaire

• 2 regimes of strain accommodation
• Grains accommodate the strain in an individual way, dislocation glide through grains is difficult → incompatibility effects → intergranular stress → intergranular strain localisation → intergranular crack initiation

 

Les alterno-démarreurs des véhicules automobiles assurant la fonction stop & start, les composants sont soumis à la fatigue.

L’objectif de ce travail de thèse était d’étudier le comportement en fatigue oligocyclique de l’acier Fe-3Si utilisé pour les rotors des nouveaux alterno-démarreurs développés par Valeo.

L’étude a pris en compte la relation entre la réponse mécanique et la microstructure, les mécanismes de fatigue, l’évaluation de la déformation à une échelle mésoscopique et une optimisation du dimensionnement du rotor pour améliorer les performances électromagnétiques de la machine.

L’étude a dû relever le défi de réaliser des essais de fatigue en traction-compression sur des éprouvettes d’épaisseur 350 µm.

Ce travail a constitué la thèse de Claire SCHAYES en collaboration avec l’entreprise Valeo.

C. SCHAYES, J. BOUQUEREL, J.-B. VOGT, F. PALLESCHI, S. ZAEFFERER, A comparison of EBSD based strain indicators for the study of Fe-3Si steel subjected to cyclic loading Materials Characterization 115, 2016, pp. 61–70 [doi 10.1016/j.matchar.2016.03.020]

Evolution de la forme et de la hauteur d’une marque de glissement avec des cycles de fatigue dans l'acier martensitique 12 Cr – Image AFM

 

Localisation des marques de glissement. Microstructure identifiée par EBSD

 

Localisation des marques de glissement des extrusions et intrusions - Microstructure identifiée par MET sur lame FIB

 

Mécanisme de formation de l’extrusion et de l’intrusion dans l'acier martensitique 12 Cr

 

Les aciers martensitiques 12 Cr sont couramment employés pour des composants de centrale thermique ou nucléaire, aube de turbine etc… Ils sont donc soumis à des fluctuations cycliques de température ou de chargement mécanique.

La spécificité des aciers martensitiques est leur microstructure hiérarchisée complexe constituée d’anciens grains austénitiques, de paquets, de blocs et de lattes.

L’objectif de ce travail était, d’une part, d’expliquer le mécanisme de formation d’extrusion-intrusion par fatigue oligocyclique à température ambiante à la surface d’un acier martensitique à 12% de chrome et, d’autre part, de définir le rôle des différentes interfaces de la microstructure sur la formation des extrusions et des intrusions.

Ce travail a constitué la thèse de Gulzar SEIDAMETOVA.

G. Seidametova, J.-B. Vogt, I. Proriol Serre, The early stage of fatigue crack initiation in a 12%Cr martensitic steel International Journal of Fatigue 106, 2018, 38–48 [doi: 10.1016/j.ijfatigue.2017.09.006]

Augmentation de la vitesse de propagation des fissures en volume

 

Transition ductile – fragile induite par Pb-Bi

 

Evolution de la microstructure dans le sillon d’une fissure longue propagée par fatigue à 350°C à l’air et dans Pb-Bi

 

L’une des options des réacteurs nucléaires de 4ème génération est d’utiliser le plomb ou l’alliage Pb-Bi comme fluide caloporteur.

L’objectif de cette étude était d’aboutir à une meilleure compréhension du comportement mécanique et des mécanismes d’endommagement par fatigue oligocyclique de l’acier martensitique T91 à 350°C en présence de l’eutectique Pb-Bi liquide. L’effet de la teneur en oxygène dissous dans le métal liquide, de la température d’essai, de la vitesse de déformation et d’un maintien en traction a été analysé.

Ce travail a constitué la thèse de Carla CARLE dans le cadre du projet européen MatISSE .

Stability of fatigue cracks at 350°C in air and in liquid metal in T91 martensitic steel, J.-B. Vogt, J. Bouquerel, C. Carle, I. Proriol Serre, Int. J. Fatigue 130, 2020, 105265 [doi: 10.1016/j.ijfatigue.2019.105265

Voir aussi : une diapo supplémentaire sur les mécanismes de propagation des fissures par fatigue de l’acier T91 à 350°C à l’air et dans l’eutectique plomb-bismuth (Pb-Bi).

Fissuration dans les deux structures, revêtement et substrat

 

Analyses microstructurales de l’interface

 

La ruine du matériau se produit en 4 étapes

1. Situation avant endommagement
2. Amorçage par fatigue des fissures dans la bande Fe-Ni
3. Propagation lente par fatigue de la fissure dans l’acier at arrêt à l’interface Fe-Ni/Ni-Fe
4. Propagation par fatigue dans la bande Ni-Fe et quasi instantanée dans NiSiB

 

La fabrication des objets en verre requiert parfois l’emploi de moules de verrerie bi-métalliques.

Les conditions d’utilisation font qu’ils subissent des contraintes thermiques cycliques qui peuvent générer des fissures dans le revêtement épais.

Ce travail visait à identifier les sources d’endommagement et à comprendre les mécanismes d’amorçage de fissure dans un moule bi-métallique, ici constitué d’un substrat en acier ferrito-perlitique recouvert d’un revêtement épais en nitrure de bore.

Les performances de ce moule bi-métallique ont été ensuite comparées à celles d’un moule monolithique pour mesurer les avantages du revêtement.

Ce travail a constitué la thèse de Hélène BULTEL en collaboration avec la société ARC International.