Étude du comportement en fatigue et des mécanismes associés dans un acier à très haute résistance pour application aéronautique

par Hayat Abdesselam

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Jerôme Crepin et de Thilo Morgeneyer.

Soutenue le 28-09-2018

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) .

Le président du jury était Jean-Bernard Vogt.

Le jury était composé de Jerôme Crepin, Thilo Morgeneyer, Véronique Favier, Denis Delagnes, Pierre Gaborit.

Les rapporteurs étaient Marion Risbet-Voitot, Gilbert Hénaff.


  • Résumé

    Le comportement en fatigue de l’acier à très haute résistance (THR) X23NiCoCrMoAl13-6-3 étudié est caractérisé par une dispersion dans les performances de tenue en fatigue. Deux modes d’amorçages de fissures sont observés sur sa courbe de Wöhler : le premier mode correspondant à des amorçages de fissures à partir d’inclusions non métalliques en surface des éprouvettes menant aux plus faibles durées de vie. Le second mode correspond à des amorçages de fissures en interne sur inclusions menant à de longues durées de vie et à des fissures en forme d’œil de poisson (« fish-eye »). Le lien entre les conditions d’essai (niveau de sollicitation, température et environnement), la nature et la localisation du site d’amorçage et la durée de vie résultante n’est jusqu’alors pas clairement identifié. L’objectif de ce travail de thèse est donc de mieux appréhender les mécanismes physiques à l’origine des différents types d’amorçage et de propagation en fatigue menant à la dispersion en durée de vie.La première partie de ce document présente la caractérisation microstructurale multi-échelle de l’acier THR avec l’identification des entités microstructurales et de leurs dimensions caractéristiques. Ensuite, l’analyse des faciès de rupture a permis de caractériser de manière approfondie les zones associées aux différents stades de propagation de la fissure de fatigue. Pour l’amorçage en surface, on trouve : 1) la particule rompue 2) la propagation sous air 3) la rupture ductile finale. Pour les amorçages en interne deux stades supplémentaires sont observés : 1.a) formation d’une zone à grains fins (« fine granular area, (FGA) ») autour de la particule si sa taille est inférieure à une taille critique et 1.b) propagation sous vide. La mécanique linéaire de la rupture est utilisée pour estimer le facteur d’intensité des contraintes de la fissure, Kmax, pour chacune de ces zones.Le facteur Kmax associé à la transition entre FGA et fish-eye se révèle être constant à une température donnée. Cette transition se caractérise par une taille de zone plastique en pointe de fissure de l’ordre de trois fois la largeur des lattes de martensite. Lorsque la température augmente, le Kmax en fin de FGA diminue mais la taille de la zone plastique reste constante. Le caractère cristallographique, pseudo stade I, de la propagation dans la FGA est mis en évidence. Il a été de plus confirmé qu’une FGA pouvait se former en cours de propagation de fissures à partir d’éprouvettes entaillées (SENT), sous vide sollicitées à Kmax faible. Le caractère cristallographique a été confirmé par analyse EBSD 3D du faciès de rupture. Un calcul de durée de vie en propagation pure sous air et sous vide a montré que les durées de vie peuvent varier d’un ordre de grandeur en fonction de l’environnement.

  • Titre traduit

    Understanding fatigue crack initiation and propagation mechanisms in a very high strength steel for aeronautical application


  • Résumé

    The fatigue behavior of a very high strength steel X23NiCoCrMoAl13-6-3 shows a large scatter in fatigue life. Two fatigue crack initiation scenarios are found. They are separated by a plateau in the Wöhler curve: the first one corresponds to crack initiation at the specimen surface from non-metallic inclusions leading to short fatigue lives. The second scenario corresponds to internal crack initiation from particles leading to so-called fish-eye cracks. The link between test conditions (load level, temperature and environment), the nature and location of the crack initiation site and the associated fatigue life has yet not been clearly established. The objective of the present PhD project is to better understand the physical mechanisms leading to the different fatigue crack initiation and propagation mechanisms.In the first part of the thesis the microstructure of the very high strength steel was studied at multiple scales and its main constituents and their respective sizes were identified.Further, the analysis of the fatigue tests by fractography has permitted to identify the different characteristic fatigue crack propagation stages. For surface fatigue crack initiation, the following stages were found: 1) a broken particle 2) fatigue crack propagation in air 3) the final ductile fracture. For internal fatigue crack initiation two more fatigue crack propagation stages are observed: 1.a) formation of a fine granular area (FGA) for small particles and 1.b) propagation in vacuum. Linear elastic fracture mechanics are used to evaluate the stress intensity factor, Kmax for each of these zones.Kmax revealed to be constant at the end of the FGA. The size of the plastic zone at the end of the FGA was calculated and corresponded to three times the width of the martensite laths. Tests at different temperatures (20°C, 200°C and 400°C) revealed a decreasing FGA size with increasing temperature at constant applied stress amplitude. As a consequence, the critical stress intensity factor varied as the FGA decreased with temperature. In contrast, the critical plastic zone size remained constant and equal to the sizes of microstructural features. This represents a strong similarity between crystallographic, stage I-like, crack propagation and FGA formation in a vacuum. This was further confirmed as an FGA was formed during crack propagation using SENT samples in vacuum and for low Kmax levels. The crystallographic character was verified by an SEM/FIB analysis of the fracture surface. A fatigue life prediction, assuming propagation only, showed that the fatigue life can vary by an order of magnitude as a function of the test environment corresponding to surface and internal crack initiation.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 30-09-2118

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