avec pré-écrouissage

Ce chapitre est consacré à la présentation des essais mécaniques réalisés pour étudier les effets du durcissement cyclique sur le comportement cyclique et la tenue en fatigue de l'acier inoxydable austénitique 304L. L'α'-martensite peut être produite directement à partir de la phase mère (y → α') par un mécanisme de cisaillement local [Lecroisey, 1972 ; Durand-Charré , 2003 ].

Transformation martensitique par refroidissement

Evolution de la température de transformation Ms en fonction de la teneur en nickel [BAVAY, 1990]. Figure La figure I-4 représente la courbe de température Ms en fonction de la teneur en nickel pour un acier inoxydable austénitique contenant 18% de chrome.

Transformation martensitique par déformation plastique

Evolution de la formation de martensite sous chargement cyclique en fonction de l'amplitude de déformation et du nombre de cycles appliqués : (a) pour l'acier 301 [Krupp et al., 2001] et (b) pour l'acier 304L. Effet de la teneur en carbone sur la vitesse de formation d'α'martensite dans l'acier 304L [Krupp et al., 2001].

Durcissement et adoucissement cyclique

A amplitude de déformation constante et à température ambiante, le comportement cyclique de l'acier inoxydable 304L se décompose généralement en trois phases en fonction du nombre de cycles. L'amplitude de la contrainte augmente pendant la majeure partie de la durée de fatigue.

Phénomène de rochet et de fluage

Cela signifie que la majeure partie de l’accumulation de déformation plastique cyclique observée lors des essais à cliquet conventionnels est principalement due aux mécanismes de fluage. Evolution contrainte-déformation axiale dans les essais classiques à cliquet et les essais de fluage correspondants avec différentes amplitudes de contrainte [Taleb & Cailletaud, 2011].

Sous trajet de chargement proportionnel

Un chemin de chargement proportionnel est un chemin pour lequel toutes les composantes de la variable de contrôle (contrainte ou déformation) restent proportionnelles, ce qui n'est pas le cas des chemins non proportionnels. Afin de pouvoir comparer différents chemins de chargements multiaxiaux, des équivalents en contrainte et en déformation plastique de type von Mises ou Tresca sont utilisés.

Sous trajet de chargement non-proportionnel

Effet de la mémoire d'amplitude de déformation sur la courbe cyclique du 316L [Taheri et al., 2011]. Evolution de la contrainte maximale en fonction de l'amplitude de déformation et de l'environnement [De Baglion & Mendez, 2010].

M ETHODOLOGIE E XPERIMENTALE

Sommaire

Essai séquentiel

Au cours de la première séquence (Bas-Haut), l'amplitude totale de déformation a été progressivement augmentée jusqu'à une amplitude maximale. Quatre séquences de chargement ont été utilisées, deux avec un niveau de déformation croissant et deux avec un niveau de déformation décroissant. Trois amplitudes de déformation maximales ont été appliquées et 1 %, mais seule l'amplitude de déformation équivalente de Von Mises de 1,5 % a été appliquée dans le cas d'un chargement de torsion.

Essais de fatigue

Les valeurs de consigne correspondant aux déformations imposées ont été déterminées en fonction de la base de mesure de l'extensomètre utilisé. Un électropolissage est réalisé des deux côtés de la section mince jusqu'à obtenir un trou autour duquel la zone peut être observée par TEM (épaisseur de l'ordre de plusieurs centaines de nanomètres). Pour s'assurer que les structures de dislocations observées sont représentatives de l'état du matériau et des contraintes macroscopiques, les observations ont été réalisées sur un nombre de grains de l'ordre de 15 qui représente un bon compromis entre statistiques et temps de traitement.

R ESULTATS E XPERIMENTAUX

Chargement en torsion

Comparaison des niveaux de saturation des amplitudes des contraintes de cisaillement en fonction du nombre de cycles obtenus pour chaque niveau de déformation équivalent de Von Mises, (a) ±0,2% (b) ±0,3%. Concernant les niveaux de réponse obtenus pour les trois dernières séries, une quasi-superposition des courbes avec celles obtenues lors de la seconde est observée, notamment pour les niveaux 0,2%, et 0,3% où l'écart entre les trois courbes est plus significatif en augmentant la amplitude. Une comparaison entre le comportement cyclique présenté par la nuance 304L-EDF sous les deux types de directions de chargement axial et de torsion équivalente de Von Mises est présentée dans la section suivante, en particulier pour les courbes cycliques.

Comparaison des courbes cycliques dans les deux directions du chargement

95 Ces résultats nous permettent de confirmer qu'à faible amplitude de déformation totale appliquée, l'écrouissage généré par le chargement de torsion est supérieur à celui généré par les cycles axiaux. Cependant, à forte amplitude de déformation, l’avantage pour le chargement axial est que l’écrouissage généré est plus important que dans le premier cas. L'écart enregistré pour le niveau 1% est d'environ 32 MPa, 29 MPa pour le niveau 0,5% (équivalent à 8% de la contrainte de torsion), puis il diminue jusqu'à 10 MPa pour le niveau de déformation le plus élevé, faible 0,2%.

• Effet de l’amplitude du pré-écrouissage
• Evaluation d’une méthode simplifiée du cumul de dommage

Dans cette partie nous nous intéressons à l'effet de l'amplitude de pré-durcissement (PCA_1,5% ou PCA_1%) et à l'effet de la direction du pré-durcissement axial (PCA_1,5%) ou en torsion à une déformation équivalente amplitude selon le critère de von Mises (PCT_1,5%) sur la tenue en fatigue en traction-compression. Néanmoins, il serait nécessaire d'étudier l'effet du pré-durcissement avec une plus grande amplitude de déformation afin de se prononcer sur l'effet de ce paramètre sur la tenue en fatigue. Malgré cette différence de comportement, l'effet du prédurcissement sur la tenue en fatigue apparaît plus important dans le sens axial (PCA_1,5%+F0,226%) que dans le sens de la torsion (PCT_1,5%+F0,226%).

Essais de référence

L'évolution de l'amplitude de contrainte, de l'amplitude de la déformation plastique et de l'énergie plastique dissipée par cycle, est représenté sur la figure Fig. III-23. Evolution en fonction du nombre de cycles de : (a) l'amplitude de contrainte, (b) l'amplitude de la déformation plastique et (c) l'énergie plastique dissipée par faire du vélo. On observe une première phase avec augmentation de l'amplitude de la déformation plastique jusqu'à une valeur maximale.

Effet du pré-écrouissage axial (PCA_1,5%)

Pour un matériau qui se ramollit cycliquement, la déformation plastique et l'énergie dissipée correspondante par cycle augmentent, tandis que pour un matériau durci, elle diminue. 117 Le durcissement cyclique secondaire du matériau prédurci n'est observé que dans l'essai à une amplitude de déformation élevée (0,5 %). Développement en fonction du nombre de cycles de (a) l'amplitude de contrainte, (b) l'amplitude de déformation plastique et (c) l'énergie dissipée par cycle lors d'essais avec prédurcissement axial à.

Effet du pré-écrouissage en torsion (PCT_1,5%)

Evolution en fonction du nombre de cycles de : (a) amplitude de contrainte, (b) amplitude de déformation plastique et (c) énergie dissipée par cycle lors d'essais avec précontrainte de torsion à. Comparaison de l'effet de la précontrainte axiale et torsionnelle à 1,5% sur les cycles de fatigue à 0,5% : (a) comparaison des boucles d'hystérésis à mi-vie, (b) comparaison des évolutions d'amplitude. De plus, la précontrainte axiale ne semble avoir aucun effet sur la tenue en fatigue à faible amplitude de déformation.

D ISCUSSIONS ET ANALYSES MICROSTRUCTURALES

Phase de pré-écrouissage

L'effet mémoire des amplitudes maximales de déformation sur la réponse du 304L lors des essais successifs est bien visible par la différence des niveaux de saturation d'écrouissage cinématique et isotrope. 135 On voit également que la réduction de l'amplitude maximale de déformation réduit l'écart entre les niveaux de saturation d'écrouissage cinématique (X) et/ou d'écrouissage isotrope (R) (Fig III-6). Dans les deux cas, l’évolution de l’écrouissage est de nature essentiellement cinématique, notamment pour les roulements à faible amplitude de déformation.

Phase de fatigue

137 L'évolution des deux répartitions de contraintes est similaire pour l'essai de référence comme pour les essais de précontrainte. Dans le cas de la précontrainte torsionnelle, la contrainte effective est beaucoup plus élevée par rapport à X par rapport aux deux autres états (vierge et PCA). Comparaison de l'effet de la précontrainte sur l'évolution de (a) la contrainte interne (X) et (b) la contrainte effective (σeff) en fonction du nombre de cycles de fatigue.

Microstructures de l’éprouvette de référence

En torsion, le changement du chemin de charge entre la phase de pré-durcissement et la phase de fatigue menace de générer un phénomène d'écrouissage croisé [Aubin et al., 2003 ;. Les résultats obtenus montrent donc que cet écrouissage semble être provoqué par la contrainte effective [Taleb & Cailletaud, 2010]. Pour mieux comprendre le comportement macroscopique présenté par ce type de 304L, des observations microscopiques ont été réalisées par microscopie électronique à transmission (TEM).

Microstructures des éprouvettes ayant subi le pré-écrouissage seul

Microstructure après la phase de pré-durcissement à PCA_1,5% : (a) microjumelages et martensite, (b) parois et cellules et (c) structures de dislocations mixtes avec structures en échelle (voir flèche). Microstructure après la phase de prédurcissement à PCA_1% : (a) veines et parois, (b) cellules et labyrinthes et (c) structures en échelle (LS) dans une matrice veineuse. Après la série de prédurcissement PCA_1%, la plupart des grains présentent des structures intermédiaires entre veines et parois (Fig IV-7.a), mais aussi des labyrinthes, des cellules allongées (Fig IV-7.b) et quelques structures en échelle (Fig IV-7. .un). -7.c) est également souvent observé.

Microstructures des éprouvettes ayant subi le pré-écrouissage et la fatigue

Une première approximation du module d'élasticité effectif a été estimée lors du déchargement de chaque boucle d'hystérésis lors de la phase de pré-écrouissage et/ou de fatigue des essais réalisés. Lors de cycles de pré-durcissement axial à PCA_1,5% ou de pré-durcissement PCT_1,5%, l'évolution du module pseudo-élastique ou du module de pseudo-cisaillement G montre une forte dépendance de l'historique de chargement (Fig IV-13. a et b). Evolution (a) du module d'élasticité lors du pré-durcissement axial PCA_1,5% et (b) du module de cisaillement lors du pré-durcissement en torsion PCT_1,5%.

Phase de pré-écrouissage

149 lors de la quatrième séquence est caractérisé par une quasi-saturation de la contrainte effective jusqu'à la fin des deux essais. La différence ΔX entre les niveaux de contrainte interne de la première et de la deuxième séquence pour l'amplitude de déformation la plus faible de 0,2% est estimée à 36 MPa (soit 48% de la contrainte interne initiale) pour l'essai axial PCA_1,5% et à 37 MPa (soit 53 % des contraintes internes initiales) pour l'essai de torsion PCT_1,5%. Cela confirme que l’effet mémoire est principalement dû au stress interne entre des essais consécutifs.

Phase de fatigue

Cependant, la réalisation de l’étape de précontrainte en torsion n’augmente pas significativement la retenue interne. Cependant, le niveau de contrainte interne reste toujours inférieur à celui de la contrainte effective pour l'essai à faible amplitude de déformation (0,22 %). Contribution de la contrainte interne et de la contrainte effective par rapport à la contrainte maximale pour les essais de fatigue à 0,36 % : (a) essais de référence, (b) essais avec écrouissage axial avant travaux et (c) essais avec.

Microstructures des éprouvettes de références

La contribution accrue des contraintes internes prononcée pour la précontrainte axiale est ici masquée par l'effet de changement de direction. 155 amas et luxations isolées sous déformation 0,22% (Fig IV-21) correspondant aux structures observées dans la première région de la courbe. Cependant, les structures de dislocation analysées pour le niveau de déformation de 0,5% correspondent à une zone située davantage entre le quasi-plateau et la région d'extrémité de la courbe.

Microstructures des éprouvettes pré-écrouies

Concernant la contrainte effective, on constate que la réduction lors de la deuxième séquence stagne à partir de l'amplitude de déformation de 0,2%. Avec l'augmentation de l'amplitude de déformation jusqu'à 0,36 %, des structures intermédiaires denses se forment (Fig. IV-22), ce qui augmente le niveau de contrainte interne par rapport à la contrainte effective. A 0,36% de fatigue, la réduction de durée de vie liée à la phase de durcissement est de 52%.

Annexes

34;Effect of previous cold work on the low-cycle fatigue behavior of AISI 304LN stainless steel at room temperature.". 34;Influence of phase transformations on the mechanical properties of austenitic stainless steel." International Journal of Plasticity. 34; Numerical simulation of complex ratchet tests with a multi-mechanism model type." International Journal of Plasticity.