La modélisation de l’endommagement de l’oxyde nécessite la connaissance préalable de la cinétique, de la composition, et des propriétés de la couche d’oxyde afin d’établir avec précision les niveaux de sollicitations thermomécaniques. Cette étude se limite à l’étude de l’endommagement de la couche de revêtement (oxyde et intermétallique) sur le plan phénoménologique.

Les contraintes intrinsèques générées par la croissance de l’oxyde s’additionnent ou s’opposent aux charges imposées par les autres paramètres (géométrie, variation thermique, chargement cyclique et anisotropie des propriétés avec le substrat). Les couches d’oxyde relaxent les contraintes résultantes par déformation élastique, ou éventuellement par fluage. Or, il est admis que l’oxyde ne présente pas (ou très peu) de plasticité en dessous de 800 °C (0,5 x Tfusion) [3, 21].

Durée de vie et mécanismes d’endommagement en fatigue thermique 163

L’oxyde se comporte donc comme un matériau élastique, bien que la présence d’impuretés ou d’éléments d’alliage puisse réduire la limite d’écoulement de l’oxyde. Toutefois, la susceptibilité d’accommodation de la déformation élastique par la couche d’oxyde dépend très largement de son épaisseur, comme l’illustre la carte du mode de fracture de l’oxyde (cf. Figure IV.34) [21]. Le relâchement de la contrainte se fait par rupture de l’oxyde en dehors de la zone hachurée, dans laquelle le matériau accommode la contrainte par déformation élastique.

En compression, l’endommagement de l’oxyde se fait par écaillage ou flambement, entraînant le décollement d’une partie de l’oxyde. Selon les propriétés de l’oxyde et de l’interface, l’écaillage se manifeste suivant deux modes d’endommagement, qui sont schématisés sur la Figure IV.35. Ces types d’endommagement ont été modélisés par Evans en utilisant une approche énergétique basée sur la mécanique linéaire élastique de la rupture [20, 21]. Le modèle suppose que la fracture dans l’oxyde ou à l’interface (oxyde/substrat) se produit si l’énergie élastique stockée dans un volume d’oxyde donné dépasse (ou égale) l’énergie de décohésion [20, 21]. Le décollement précède la fissuration lorsque l’oxyde est résistant et présente de faibles liaisons d’interface. Dans le cas contraire, où l’oxyde est fragile avec une faible énergie d’interface, l’écaillage s’effectue par une fissuration par cisaillement suivie de la décohésion de l’oxyde [20].

L’écaillage observé sur nos éprouvettes se produit lors du chauffage et non pas au cours du refroidissement comme cela est annoncé dans la plupart des cas décrits dans la littérature [20]. En effet, les oxydes spinelles contiguës au substrat (Fe,Cr)3O4 et la magnétite, présentent des dilatations thermiques plus fortes que celles de l’acier en dessous de 600 °C (cf. Figure IV.36) [3]. De ce fait, ces couches sont mises en compression lors du chauffage alors que l’hématite, présentant un coefficient de dilatation inférieur au substrat, se trouve en tension. Les contraintes s’inversent lors de refroidissement. Ceci est confirmé par les observations in-situ lors des essais de FT, montrant l’écaillage pendant le chauffage. Le fort écaillage constaté à Tmax = 550 °C peut s’expliquer par l’écart maximal entre les coefficients de dilatation thermique représenté par le pic situé au voisinage de cette température (cf. Figure IV.36). L’écart diminue rapidement pour les températures plus élevées (> 550 °C), ce qui réduit par conséquent l’amplitude des contraintes contribuant à l’écaillage de l’oxyde. Cela explique en effet le très faible écaillage observé dans le cas des éprouvettes «SR1» et «SR3» sollicitées à Tmax = 600 et 650 °C. Les contraintes de compression sont élevées davantage par la variation thermique et particulièrement par l’effet de la courbure. Cela explique le fort écaillage localisé dans le congé de l’éprouvette de type Glenny.

Sur la frontière limitant la zone d’écaillage (cf. Figure IV.34), l’oxyde se rompt par fissuration périodique (régulière) perpendiculairement à l’axe circonférentiel «  ». Ce mode d’endommagement se traduit en effet par un faïençage de type uniaxial quand la sollicitation est unidirectionnelle. La distance séparant les micro-fissures évolue vers une valeur asymptotique en fonction du nombre de cycles (cf. Figure IV.28). En effet, les micro-fissures atteignant la surface de l’acier provoquent l’oxydation préférentielle du substrat par court-circuit de diffusion. Les micro- fissures (secondaires) restreintes dans l’oxyde s’arrêtent alors à cause de la redistribution des lignes de force déformées en tête des fissures qui se propagent dans le substrat (plus profondes).

Forte adhérence Oxyde fragile Fissuration par cisaillement Sens de propagation Sites de fissuration par traction Possible endommagement par cisaillement Interface endommagée

Couche d’oxyde sous compression

Surface de décohésion Faible adhérence Oxyde résistant Écaille Zone de décohésion Zones relaxation de contrainte: - athermique - thermique

Figure IV.34 : Carte du mode de fracture de l’oxyde en fonction de son épaisseur [19]

Figure IV.35 : Schéma représentatif des deux modes d’écaillage de l’oxyde sous compression [20]

Figure IV.36 : Évolution avec la température de la dilatation thermique d’un acier à 2,5 % de chrome et 1% de molybdène et ses oxydes dérivés (magnétite, hématite et spinelles riche en chrome) [3]

épaisseur (μm)

Déformation élastique totale

x10

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La densité du faïençage diminue, du fait de la cicatrisation de ces micro-fissures (secondaires), et cela se traduit alors par une augmentation progressive de la distance inter-fissures, observée au cours des essais de FT. Les micro-fissures pénétrantes dans l’acier sont ouvertes et présentent un soulèvement au niveau de la surface au voisinage de la fissure (cf. Figure IV.37). L’analyse en coupe révèle que cette déformation est issue de l’expansion volumique de la couche au voisinage de la fissure (oxydation augmentée localement dans les fissures). La déformation plastique de l’acier, cumulée au cours des cycles de FT, peut contribuer également à l’ondulation de la couche d’oxyde.

Figure IV.37 : Micro-fissurations (inter-granulaire et trans-granulaire) de la couche d’oxyde

À l’opposé des travaux de Benedyk [22], les résultats obtenus dans cette étude et ceux de la référence [1] montrent que la densité du réseau de faïençage est indépendante de la température maximale. Elle est en revanche sensible aux propriétés du revêtement ainsi que de la vitesse de chauffage, qui détermine l’amplitude de la vitesse de déformation. Medjedoub relie ce phénomène à l’incompatibilité entre la déformation thermoélastique totale du substrat et celle de l’oxyde, qui dépend notamment de la vitesse de chauffage. D’autre part, la fissuration périodique peut être caractéristique de l’endommagement par fluage [19]. Des modèles ont été proposés à cet effet, prenant en compte la vitesse de fluage, l’épaisseur et les propriétés (viscosité) de l’oxyde, la contrainte appliquée et la distance entre les fissures [3]. En effet, la présence d’impuretés ou d’éléments d’alliage peut réduire la limite d’écoulement de l’oxyde [3, 8, 21].

In document (1) Popularność I wydania "Leksykonu miejscowości powiatu chełmskiego&#34 (Page 24-71)

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