CFM 2019

Modélisation des effets d'histoire de chargement sur les propriétés en fatigue d'un acier à partir de mesures d'Auto-Échauffement
Julien Louge  1, 2, *@  , Sylvain Moyne  1, *@  , Cédric Doudard  1@  , Sylvain Calloch  1@  , Bastien Weber  2@  
1 : Institut de Recherche Dupuy de Lôme  (IRDL)
Université de Bretagne Sud, Université de Brest, ENSTA Bretagne, Centre National de la Recherche Scientifique : UMR6027
2 : ArcelorMittal Maizières Research SA
ARCELORMITTAL
* : Auteur correspondant

Dans le cadre de la fatigue à grand nombre de cycles (HCF), les propriétés en fatigue sont généralement déterminées sur un matériau vierge (i.e., vierge de toute sollicitation) sous chargements cycliques à amplitude constante. Or, la fabrication de pièces structurelles fait souvent appel à des opérations de mise en forme (i.e., pliage, emboutissage, etc) ce qui a pour conséquence de modifier l'état du matériau et donc modifier les propriétés en fatigue. À cela, il est important de noter que les chargements réellement subis par ces pièces sont complexes et souvent aléatoires dans le temps. La prévision de la durée de vie d'une telle pièce fait appel à des méthodes d'extraction et de comptage de cycles (e.g., Rainflow) et à une règle de cumul d'endommagement (e.g., Palmgren-Miner). Réaliser une caractérisation en fatigue en étudiant tous ces effets d'histoire, c'est-à-dire les effets liés aux étapes de fabrication ainsi que ceux liés au caractère variable dans le temps des chargements, impliquerait un temps nécessaire considérable. Il est proposé dans cette étude d'étudier l'impact de ces effets d'histoire sur les propriétés en fatigue à partir de mesures d'Auto-Échauffement. Le principe est d'observer l'évolution de la température moyenne stabilisée d'une éprouvette sollicitée par une succession de blocs de chargement cyclique à amplitude croissante (amplitude constante par bloc). Ces mesures permettent une estimation rapide de la limite d'endurance du matériau étudié avec seulement une unique éprouvette. Pour remonter aux propriétés en fatigue et obtenir une estimation de la courbe S-N-P, un modèle probabiliste à deux échelles a été développé à partir des mesures d'Auto-Échauffement. 

Dans cette étude, deux effets d'histoire sont étudiés : l'effet d'une pré-déformation plastique initiale et l'effet d'un pré-chargement cyclique. Pour le premier cas, une pré-déformation plastique est appliquée sur une éprouvette et, ensuite, un essai d'auto-échauffement est réalisé. Pour de faibles niveaux de pré-déformation plastique (i.e., inférieur à 1%), une diminution des propriétés en fatigue est observée, tandis que pour des niveaux plus importants (i.e., environ 20%), l'effet inverse est constaté, les propriétés en fatigue augmentent. Ces résultats sont en adéquation avec les résultats obtenus par des essais de fatigue classique. Pour étudier l'effet d'un pré-chargement cyclique, un chargement cyclique de quelques milliers de cycles à amplitude constante est appliqué sur une éprouvette avant de réaliser un essai-auto-échauffement. L'effet de l'amplitude de chargement et du nombre de cycles est étudié. Une faible, mais notable, évolution des propriétés en fatigue est observée pour différente valeur de l'amplitude, cependant aucune dépendance au nombre de cycles est constatée. 

Dans le but de prévoir l'évolution des courbes S-N-P après un effet d'histoire de chargement, une amélioration du modèle probabiliste à deux échelles est proposée à partir des résultats expérimentaux d'Auto-Échauffement. L'idée proposée est d'ajouter dans le modèle des ingrédients permettant de tenir compte à la fois du taux de déformation plastique macroscopique dans le matériau, permettant de représenter l'effet des opérations de mise en forme, et de l'évolution de la déformation plastique cumulée au sein du VER considéré. Cette nouvelle modélisation permet d'une part de représenter l'évolution des courbes d'Auto-Échauffement quel que soit le chargement d'histoire considéré et, d'autre part, de donner une bonne estimation des courbes S-N.


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