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Résumé thèse Alexis Oudin (v.2)

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Fatigue thermo-mécanique d'aciers pour outils de travail à chaud

 

Alexis OUDIN - 19 octobre 2001.

Enjeux :
Dans les applications de mise en forme à chaud, c'est par l'interface et lasurface que les sollicitations thermo- mécaniques sont transmises aux outillages. La surface est le lieu privilégié de la dégradation limitant ladurée de vie des outillages. L'étude, la modélisation et la prédiction de la dégradation et la durée de vie de la surface, ou plus précisément d'un"élément" représentatif de la surface et de la sous-surface sont des enjeux importants mais sont également complexes : les investigations sont d'autantplus complexes que les surfaces des outillages sont pratiquement toujours traitées ou revêtues par différentes techniques.

Technologies mises en oeuvre :
Dans les procédés de mise en forme à chaud des métaux comme l'estampage, lelaminage ou la fonderie, la durée de vie des outils est limitée par les conditions de travail sévères en termes de sollicitationsthermo-mécaniques. Ces dernières résultent du contact intime entre les outils et la pièce ou le métal fondu. Outre l'usure, les outils sont généralementendommagés par de la fissuration dite de fatigue thermique. Le mécanisme d'endommagement par fatigue thermique provient principalement des contraintesd'origine thermique alternées en compression et en traction à la surface active des outils. Ces dernières résultent des dilatations/contractionsdifférentielles qui apparaissent lors des variations brutales de température à la surface de travail des outils lors du contact outil/pièce. Dans cesconditions de travail, la surface des outils est endommagée par un processus de fatigue oligocyclique anisotherme.

Positionnement du sujet :
Ce travail de recherche a été réalisé dans le but d'avoir une connaissance précise du comportement, de l'endommagement et de la durée de vie des aciers àoutil de travail à chaud sous sollicitations thermo-mécaniques proches de celles subies par la surface active des outils de travail à chaud. Ce travaila été entrepris dans le contexte industriel fort de l'Action Concertée de Recherche No. 2 sur la forge (ACR2). Deux aciers pour outils à chaud sontétudiés : une nuance faiblement alliée du type 55NiCrMoV7 et une nuance fortement alliée du type X38CrMoV5, testés dans deux conditions de traitementthermique de trempe et revenu leur conférant une dureté, à l'ambiante, voisine respectivement de 42 et 47 HRC. En outre, d'un point à un autre de la surfacede travail des outils, le chargement thermo-mécanique peut être radicalement différent à la fois en termes de chargement mécanique et thermique. Ainsi,différentes conditions d'essai TMF (cycles thermiques et mécaniques) ont été étudiées.

Résultats :
Le comportement cyclique des deux aciers est caractérisé par deux régimes successifs d'accommodation (adaptation progressive de la microstructure à lasollicitation TMF) et d'adoucissement (diminution cyclique de la résistance de l'acier). L'oxydation préférentielle suivie de la fissuration parfatigue-oxydation semble être le mécanisme principal de l'amorçage de fissure. Pour l'acier X38CrMoV5, un facteur d'intensité de déformation et uneloi de type Paris décrivent la propagation de fissure. Les durées de vie TMF diminuent avec l'augmentation de la température maximale. Une loiphénoménologique simple de type Manson-Coffin basée sur la variation de déformation mécanique est proposée. Pour l'acier X38CrMoV5, les lois defissuration de la couche d'oxyde et de propagation de fissure sont utilisées pour estimer certaines fractions de la durée de vie. Pour les deux aciers, latempérature maximale du cycle thermique contrôle à la fois le comportement, l'endommagement et la durée de vie dans des conditions d'essais TMF (l'effetde la température minimale est négligé). Pour l'acier X38CrMoV5, au dessus de la température critique 550°C, des processus thermiquement activés accélèrentl'endommagement, réduisant ainsi notablement la durée de vie TMF. L'acier X38CrMoV5 présente globalement une plus grande résistance TMF que l'acier55NiCrMoV7.

Application et/ou mots clés :
Description fine des phases d'amorçage et de propagation de fisures.Prédiction de durée de vie TMF phénoménologique ou physique. Détermination des zones critiques des outils de mise en forme à chaud endommagées parfatigue thermique.

Transfert de résultats vers l'industrie :
Dans le cadre de l'ACR2, l'intégration des lois de prédictions de durée de vieTMF au logiciel Forge2 est prévue pour estimer la durée de vie des outils de forgeage à chaud (endommagement par fatigue thermique).