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Résumé thèse Zhamping Zhang

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Modélisation du comportement cyclique anisotherme d'un acier martensitique 55NiCrMoV7 avec prise en compte du vieillissement

 

Zhanping ZHANG - 2 mai 2002.

Ce travail est une contribution à la modélisation du comportement cyclique anisotherme d'un acier à outil martensitique revenu. L'objectif est deproposer un modèle capable de décrire le comportement cyclique anisotherme de l'acier 55NiCrMoV7 en prenant en compte l'effet de l'histoire du traitementthermique de revenu et l'effet du vieillissement en service sous une sollicitation thermomécanique.

Le vieillissement lors du revenu a été étudié à l'aide de mesures de duretépour une plage de températures de 100°C à 700°C, avec des durées de maintien entre 90 secondes et 665 heures. La chute de dureté est importante pour lesdurées de maintien très courtes et chute plus rapidement lorsque la température du revenu augmente. L'évolution de microstructure lors du revenu aété étudiée à l'aide de mesures de la fraction volumique des carbures et d'observations (MEB, MET) couplées à l'analyse d'images pour quantifier lataille des grains, des lattes et des carbures. La taille des grains, des lattes ainsi que la fraction volumique des carbures ne varient pas avec lesconditions du revenu. La taille moyenne des carbures intralattes (de type M3C et V8C7) augmente avec le temps et la température de revenu. La taille moyenne des carbures est bien corrélée auniveau de dureté. Le niveau de dureté semble donc être un paramètre mécanique macroscopique pertinent susceptible de représenter au moins partiellementl'évolution microstructurale au cours d'un revenu.

Une loi d'évolution du vieillissement a été proposée, en introduisant le concept "taux de vieillissement v", sous forme de la loi de Johnson-Mehl-Avrami. Cette loi a été validée par desessais de double revenu. Elle permet de décomposer la chute de dureté lors d'une sollicitation thermomécanique en 2 parties : une partie liée à lathermique et l'autre induite par la plasticité cyclique. Par ailleurs, la loi proposée permet de retrouver la relation d'Hollomon-Jaffe, classiquementutilisée dans l'industrie pour adapter les conditions de revenu.

Deux types d'essais de fatigue isotherme spécifiques ont été conçus pour identifier tous les paramètres du modèle de comportement. La méthodologied'identification est décrite en détail. Ces essais de fatigue ont permis de mettre en évidence les grandes caractéristiques du comportement. Ainsi l'acier55NiCrMoV7 présente une déconsolidation cyclique constituée d'une déconsolidation cyclique rapide (exponentielle) suivie d'une déconsolidationlinéaire qui occupe la majeure partie de la durée de vie. Les effets de la température, des niveaux de déformation et de dureté, ainsi que duvieillissement ont été particulièrement étudiés, notamment en vue de prendre en compte ces effets lors de la modélisation.

Un modèle élastoviscoplastique anisotherme a été proposé, dans le cadregénéral de la thermodynamique des processus irréversibles des milieux continus. Ce modèle est constitué de 2 variables cinématiques, 2 variablesisotropes sans saturation, une surface de charge complémentaire pour décrire la mémorisation de la déformation plastique et une variable supplémentairepour prendre en compte l'effet du vieillissement. Ce modèle de comportement a été étendu pour permettre une prévision du comportement anisotherme cycliquede l'acier 55NiCrMoV7.

La confrontation avec des résultats de fatigue thermomécanique en phase, hors phase et hors phase en compression imposée ont permis de valider lesprévisions du modèle dans le cas d'une microstructure stabilisée. Elle permet en particulier de montrer l'évolution des contraintes moyennes en traction ouen compression selon que le cyclage est hors phase ou en phase.

Les lois d'évolution des coefficients du modèle cyclique en fonction de la variable « taux de vieillissement » ont été déduites de la baseexpérimentale. Le modèle avec prise en compte du vieillissement a été validé d'une part par des essais de fatigue menés à des températures supérieures auxtempératures des revenus et d'autre part sur des échantillons ayant un taux de vieillissement initial (dureté initiale) différent de ceux utilisés pourl'identification.