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Résumé thèse Farid MEDJEDOUB

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Détermination des paramètres influant sur le phénomène d'endommagement par fatigue thermique des moules en fonderie sous pression d'aluminium

 

Farid MEDJEDOUB - 10 mai 2004

La fatigue thermique est l'une des causes principales de l'endommagement des moules de fonderie en général et de la fonderie sous pression en particulier.

Lors de cette étude, un banc de fatigue thermique a été mis au point pour conduire des essais sur une éprouvette cylindrique en acier X38CrMoV5 de dureté 42 et 47 HRC. Diverses conditions d'essai ont été investiguées , en faisant varier la température maximale du cycle thermique (de 500 à 685°C), et la vitesse de chauffage (de 0.7 à 6.5 s). L'effet de ces paramètres sur le faïençage et la propagation de fissures a été étudié. La densité et la morphologie des réseaux de faïençage ont été quantifiés par analyse d'images MEB. Les observations in-situ (microscope Questar) ont montré que la fissure s'ouvre lors de la phase de refroidissement (contraintes thermiques deviennent en tension).

Plus la vitesse de chauffage est élevée, plus la densité de flux de chaleur imposée à l'éprouvette est élevée. Des gradients thermiques plus sévères sont créés et les éprouvettes subissent donc des sollicitations thermomécaniques plus sévères. Comme la surface externe des éprouvettes se refroidit naturellement, la température "moyenne" dans une éprouvette change.

Des champs de température, contrainte et déformation ont été calculés par des simulations numériques en conditions thermo-élasto-plastiques (ABAQUS&trade, écrouissage isotrope). Des éprouvettes instrumentées ont permis de déterminer les gradients thermiques sur la surface et en profondeur pour différentes conditions de sollicitation. Une nouvelle approche a été choisie pour déterminer la densité de flux de chaleur imposé par tranche sur les nœuds de l'éprouvette maillée de manière axisymétrique. Ces densités ont été d'abord estimées par la méthode d'adimensionnalisation thermomécanique développée dans le laboratoire. Les contraintes thermo-élastiques obtenues par la simulation numérique ont été comparées à celles calculées par la méthode adimensionnelle.

L'oxydation joue un rôle important dans la formation des cellules de faïençage et dans la propagation de fissures. Il est montré que la densité de faïençage suit une variation sigmoïdale en fonction du nombre de cycles. La densité de faïençage maximale reste indépendante de la température maximum. En revanche, elle est influencée par la vitesse de chauffage : plus la vitesse est élevée, plus la densité de faïençage est grande. Une relation quasi-linaire entre la densité de faïençage et la densité de flux thermique est mise en évidence. Quand la vitesse moyenne de chauffage dépasse un certain seuil, la densité de faïençage reste inchangée. A l'aide d'un calcul simplifié, l'évolution de la densité de faïençage en fonction de condition de sollicitation est expliqué par la différence de déformation thermomécanique des couches d'oxydes et de l'acier de base.

Un fluxmètre utilisant des thermocouples de diamètre 80 µm (Type K) a été développé au laboratoire. Un moule expérimental monté sur une machine d'injection sous pression de 600t a été instrumenté par ce fluxmètre placé dans une région considérée critique (zone proche de la face d'attaque). Des cycles temps-température et les flux de chaleur ont ainsi été mesurés pour différentes conditions d'injection (vitesse, pression, poteyage aqueux ou poudre). Une méthode inverse a été employée pour estimer la température maximale en surface de contact moule/Al en fusion.

Mots-clés :
fatigue thermique, aciers martensitiques, oxydation, faïençage (multi-fissuration), amorçage de fissure de fatigue, propagation de fissure de fatigue, durée de vie en fatigue thermique, simulation numérique (ABAQUS&trade), calcul adimensionnel, mesures thermiques.