Pour les différentes conditions d’essais, les évolutions des fissures principales au cours des cycles sont récapitulées en Figure IV.44.a. Les fissures présentent une forme d’évolution comparable, caractérisée par une accélération de la fissure juste après l’amorçage et une stabilisation aux plus grandes profondeurs. Les fissures atteignent des profondeurs variables selon la géométrie et le nombre des fissures macroscopiques. En effet, les éprouvettes testées à 600 °C sous air ne présentent qu’une seule fissure dont la propagation dépasse les 4 mm de profondeur. Or, dans les autres éprouvettes présentant de la multi-fissuration, les fissures tendent à s’arrêter pour de plus faibles profondeurs (< 4 mm). La vitesse de propagation des fissures «longues» dépend par conséquent de la multi-fissuration de la structure. En dessous de 2 mm de profondeur, les vitesses de propagation sont très proches quelles que soient les conditions d’essais (cf. Figure IV.44.a). Le pic des vitesses de propagation est atteint à environ 1 mm de profondeur pour des valeurs maximales comprises entre 2,5 et 4,0 10-7 m.s-1 (cf. Figure IV.44.b).Les ouvertures mesurées à froid de toutes les fissures macroscopiques (40 fissures environ) sont représentées en fonction des profondeurs correspondantes sur la Figure IV.44.c. La corrélation est remarquable entre les valeurs obtenues et la droite passant par l’origine et de pente 19,5 10-3 environ (sans dimension).Il est à signaler tout de même que les fissures principales se referment légèrement (diminution de l’ouverture de fissure) lorsque d’autres fissures macroscopiques se propagent dans la même structure.

Si les évolutions de fissuration déterminées expérimentalement ne présentent pas de nettes différences, les mécanismes de propagation sont pour leur part très sensibles aux conditions atmosphériques et varient avec la vitesse de propagation (cf. Annexe C2). L’effet de l’oxydation dont le processus est thermiquement activé n’est observé que dans la partie supérieure du congé où les températures sont les plus élevées. La propagation des fissures courtes (dans le congé) est assistée par l’oxydation. Elle s’effectue principalement par un mécanisme trans-granulaire (cf. Figure IV.45.a). La propagation peut être parfois inter-granulaire (cf. Figure IV.45.b). La propagation se fait en Mode I dans un plan perpendiculaire à la contrainte circonférentielle (cf. Figure IV.5). Les fissures courtes sont rectilignes et présentent un émoussement en leur pointe à cause de l’oxydation (cf. Figure IV.7). L’atténuation de la contrainte ainsi que de l’oxydation dans les parties internes, où le niveau de température est relativement faible, modifie le mécanisme de propagation. La propagation devient alors cristallographique en formes de zigzag suivant des plans de cisaillement inclinés à 45° par rapport à l’axe de chargement (cf. Figure IV.18.b-d). L’évolution des fissures à l’échelle macroscopique reste cependant perpendiculaire à l’axe de la contrainte circonférentielle «». Ce mode de fissuration dépend de la température maximale du cycle, qui modifie les gradients thermiques suivant l’axe radial «rr» . Il est observé à de plus faibles profondeurs pour l’essai à 600 °C, indépendant de l’atmosphère (faible oxydation en profondeur). La propagation cristallographique (suivant des chemins inclinés) caractérise également les fissures courtes (congé) dans le cas d’essais sous atmosphère neutre. Ce mécanisme a été mis en évidence sur la surface externe des éprouvettes testées sous argon présentant des parties d’acier non oxydées (cf. Figure IV.25).

Durée de vie et mécanismes d’endommagement en fatigue thermique 175

Figure IV.44 : a) Évolution de la profondeur des fissures principales. b) Variations des vitesses de fissuration en profondeur des différentes fissures.

c) Évolution en profondeur des ouvertures mesurées à froid (20 °C) des différentes fissures principales

Figure IV.45 : Propagations trans-granulaire (a) et inter-granulaire (zone encerclée) (b) (fissure courte cas de l’éprouvette «SR102» testée sous argon à Tmax = 650 °C)

La propagation cristallographique est favorisée par la microstructure et apparaît dans notre cas dans des domaines où les fissures évoluent à faibles vitesses (a/N). Localement, la propagation se fait par pas à pas entre des plans symétriques par rapport à l’axe de chargement inclinés à 45° (cf. Figure IV.46). Le passage entre ces plans peut se produire à grande vitesse. Les fissures atteignent une vitesse de propagation maximale à la sortie du congé dans un intervalle de profondeur compris entre 0,5 et 2 mm. La propagation à ce stade se fait cycle à cycle, traduite par la formation des stries de fatigue observées sur le faciès de rupture non oxydé (sous azote).

Figure IV.46 : Propagation cristallographique des fissures dans le domaine de faibles vitesses de propagation a) fissure courte, dans le congé sur une surface d’acier non oxydé;

b) transition de propagation rectiligne en propagation cristallographique (vue de profil); c) fissure longue à 3 mm de profondeur (vue de profil sur la surface latérale du disque)

Petit définit trois régimes caractérisant le comportement intrinsèque des fissures de fatigue, à partir de diagrammes de fissuration où sont représentées les vitesses de propagation en fonction du Facteur d’Intensité de Contrainte (FIC) effectif «Keff» (après l’élimination des effets liés à la fermeture de fissure) [26]. Il distingue alors les régimes suivants :

• Stade I intrinsèque, caractérisé par une propagation rapide avec une évolution suivant un plan incliné à 45° par rapport à l’axe de chargement. Ce régime est actif dans les matériaux favorisant une localisation de la déformation d’origine microstructurale ou mécanique (plans de cisaillement);

• Stade II intrinsèque, régime conventionnel (domaine de Paris) décrivant les fissures «longues» de moyennes vitesses de propagation. À l’échelle macroscopique, la fissure se propage suivant un plan normal à l’axe de chargement;

• Pseudo-stade I intrinsèque caractérisé par des vitesses de propagation lentes, à proximité du seuil. Il est promu par les polycristaux où la localisation de la déformation est favorisée par la microstructure. Ce régime est en effet un cas particulier du Stade I qu’il est possible d’appliqué à l’échelle locale pour caractériser la propagation de fissure dans le grain.

En se basant sur cette définition et sur les résultats de l’analyse fractographique, nous pouvons attribuer le régime des fissures lentes, qui évoluent d’une part dans le congé (courtes) sous atmosphère neutre et d’autre part à grande profondeur (très longues), dont le mécanisme de propagation est cristallographique au régime Pseudo-stade I intrinsèque. Par ailleurs, le régime de propagation des fissures évoluant entre 0,5 et 2 mm est identifié comme le Stade II intrinsèque.

Surface (sous azote) à 2 mm à 3 mm

Durée de vie et mécanismes d’endommagement en fatigue thermique 177

IV.4. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons décrit les mécanismes d’endommagement et la durée de vie en FT ainsi que le rôle, considérable, joué par l’environnement. Ces résultats ont été rendus possibles par la conception et la mise au point d’un banc d’essai de FT sous atmosphère contrôlée permettant le découplage des effets de cet environnement.

Les mécanismes d’endommagement et les durées de vie en FT de l’X38CrMoV5 sont en effet sensibles aux conditions de sollicitation représentées par la géométrie de l’éprouvette, la température maximale du cycle et les conditions atmosphériques et d’environnement.

Les éprouvettes de section réduite favorisent un même mode d’endommagement observé sur les extrémités libres des éprouvettes cylindriques (CFT) et les singularités géométriques (dans le cas des moules de FSPAl). Cet endommagement se présente ainsi à!:

• L’échelle microscopique, par la fissuration des couches superficielles!;

• L’échelle macroscopique, par une propagation de fissures en Mode I suivant des plans perpendiculaires à la contrainte circonférentielle «!!! ».

L’endommagement superficiel dépend de l’état de contraintes en surface, de l’oxydation et de l’environnement. Lorsque la contrainte superficielle de compression est élevée à cause de la courbure ou/et de l’anisotropie de la dilatation thermique entre l’oxyde et l’acier (en particulier à 550 °C), l’oxyde se rompt principalement par écaillage. Dans le cas contraire, l’endommagement superficiel se fait par la formation d’un faïençage microscopique dans les couches superficielles fortement adhérentes au substrat. Dans les zones libres de se déformer suivant deux axes principaux, le faïençage est de type «!uniaxial!», caractérisé par une fissuration périodique, perpendiculaire à la contrainte circonférentielle. Sur les surfaces planes où siège un état de contrainte multiaxial, le faïençage est de type «!biaxial!» (fissures interconnectées). La densité du faïençage varie en fonction de l’oxydation et de l’épaisseur et des propriétés de la couche superficielle. Elle est toutefois indépendante de la température maximale du cycle thermique (entre 550 et 685 °C). En l’absence de couches superficielles (atmosphère inerte), toutefois, l’endommagement de la surface se fait indépendamment de l’état de contrainte (uniaxial ou multiaxial), par une micro-fissuration orientée suivant des plans cristallographiques inclinés par rapport à la contrainte principale. L’amorçage de fissures fait alors suite à une forte déformation plastique (cyclique) de la surface de l’acier.

La durée de vie jusqu’à croissance de fissures macroscopiques est étroitement liée à la température maximale du cycle thermique, à l’environnement et à l’oxydation. La diminution de la température maximale de 650 °C à 600 °C a fait augmenter le nombre de cycles nécessaires pour la croissance d’une fissure de 0,5 mm de profondeur d’un facteur 6 sous azote, et 10 sous air. À Tmax = 550 °C, la fissuration macroscopique ne se produit pas même après 400 000 cycles. Cet écart de durées de vie est lié, dans ces cas, à l’adoucissement de l’acier, qui est d’autant plus important que le niveau de la sollicitation thermique est supérieur à la température au deuxième revenu (600 °C). On constate également qu’une surchauffe (> 700 °C) induit la croissance précoce de fissures macroscopiques (cas de l’éprouvette «!SR104!») et l’accélération de la vitesse de propagation (cas de l’éprouvette «!SR101!).

L’effet de l’environnement intervient d’une part dans le mécanisme de croissance des fissures dans l’acier, qui se fait à partir du faïençage dans le cas de la présence des couches superficielles issues de l’oxydation ou d’aluminisation. D’autre part, la fissuration à chaud sous air est assistée par l’oxydation, qui modifie ainsi le mécanisme et probablement la vitesse de propagation (dans le congé). La réduction de la pression partielle d’oxygène entraîne en effet l’augmentation systématique de la durée de vie avant croissance de fissures macroscopiques (600 et 650 °C, éprouvettes vierges ou pré-aluminisées). De plus, d’éventuelles fissurations internes peuvent être observées sous atmosphère inerte. L’effet de l’oxydation est d’autant plus remarqué dans les parties les plus chaudes de l’éprouvette où la caractérisation des fissures est hélas très complexe. Le rôle de l’oxydation sur la propagation a été donc établi uniquement sur un plan phénoménologique (mécanisme).

L’effet de l’environnement sur le comportement à la fissuration peut être révélé à partir des lois de propagation, qui nécessitent tout de même la détermination des niveaux de chargement thermomécaniques appliqués à l’éprouvette, notamment en présence de fissures. Dans cette optique, le chapitre suivant ambitionne donc de caractériser les sollicitations thermiques et thermomécaniques induites lors des essais de FT sur l’éprouvette «SR1».

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In document (1) Popularność I wydania &#34;Leksykonu miejscowości powiatu chełmskiego&#34 (Page 71-104)

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