Thermo-mechanical fatigue of hot work tool steels

• Auteur / Autrice : Alexis Oudin
• Direction : Farhad Rézaï-Aria
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Outillages, Matériaux et Procédés (Albi2000-2009)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : L Rémi, Gérard Degallaix, Henri-Paul Lieurade, HJ Christ, A Grellier, Christophe Levaillant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fissuration

Oxydation

Acier martensitique

Fatigue thermique

Matériaux

Mots clés libres

Aciers martensiques

Fatique thermo-mécanique

Fatigue oligocyclique à haute température

Fatique thermique

Adoucissement cyclique

Oxydation

Amorçage de fissure de fatigue

Propagation de fissure de fatigue

Durée de vie TMF

Résumé

L'endommagement par fatigue thermique limite la durée de vie des outils de mise en forme à chaud. Un essai de Fatigue Thermo-Mécanique (TMF) est développé pour étudier cet endommagement sur les aciers pour travail à chaud 55NiCrMoV7 et X38CrMoV5. Des cycles TMF hors-phase compression- compression avec différentes températures minimales et maximales sont étudiés. Le comportement cyclique des deux aciers est caractérisé par deux régimes successifs d'accommodation (adaptation progressive de la microstructure à la sollicitation TMF) et d'adoucissement (diminution cyclique de la résistance de l'acier). La température maximale contrôle le comportement. Pour l'acier X38CrMoV5, au dessus de la température critique 550°C, des processus thermiquement activés contrôlent le comportement cyclique. L'acier 55NiCrMoV7 présente une accommodation plus rapide et globalement un plus fort adoucissement que l'acier X38CrMoV5. L'oxydation préférentielle suivie de la fissuration par fatigue-oxydation semble être le mécanisme majeur de l'amorçage de fissure. Une loi parabolique décrit la cinétique de croissance de la couche d'oxyde plus importante pour l'acier 55NiCrMoV7. Pour l'acier X38CrMoV5, une loi de fissuration de la couche d'oxyde est proposée. La propagation de fissure en TMF est déduite des stries de fatigue. Un facteur d'intensité de déformation et une loi de type Paris décrivent la propagation de fissure. Pour les lois d'oxydation et de propagation, l'effet de la température minimale est négligé. Les durées de vie TMF diminuent avec l'augmentation de la température maximale. Une loi phénoménologique simple de type Manson-Coffin basée sur la variation de déformation mécanique est proposée. Une description ¯ne de la durée de vie TMF est utilisée. Pour l'acier X38CrMoV5, les lois de fissuration de la couche d'oxyde et de propagation de fissure sont utilisées pour estimer certaines fractions de la durée de vie. L'acier X38CrMoV5 présente globalement une plus grande résistance TMF que l'acier 55NiCrMoV7.

Thermal fatigue damage is a life limiting factor of hot metal forming tools. A Thermo-Mechanical Fatigue (TMF) facility was developed to assess such damage mechanisms on the 55NiCrMoV7 and X38CrMoV5 hot work tool steels. A full compressive out-of-phase TMF cycle with different minimal and maximal temperatures were examined. The cyclic behaviour of both steels is characterised by two successive regimes of accommodation and softening. Accommodation is a gradual adaptation of the microstructure to TMF loading while softening corresponds to a cyclic decrease of the steel strength. The maximal temperature controls the cyclic behaviour. For the X38CrMoV5 steel, the temperature 550°C constitutes a boundary above which thermally activated phenomena control the cyclic behaviour. The 55NiCrMoV7 steel showed more rapid accommodation and global higher softening than the X38CrMoV5 steel. Preferential oxidation and oxidation-fatigue cracking seem to be the dominant crack initiation mechanisms. A parabolic law describes the oxide scale thickness growth higher for the 55NiCrMoV7 steel. For the X38CrMoV5 steel, an oxide scale through thickness cracking law was proposed. The TMF crack growth rate was deduced from striations accounting. A strain intensity factor range and a Paris law type were used to correlate the crack growth rate. The oxidation, tensile going strain and cyclic plasticity seem to control the crack growth. For the oxidation and the crack growth laws, the minimal temperature effect is neglected. The TMF lives are reduced with maximal temperature rise. A simple phenomenological TMF life prediction model was proposed using the Manson-Coffin relationship mechanical strain range based. A detailed partitioning of the fatigue life was proposed. For the X38CrMoV5 steel, the oxide scale through thickness cracking and the crack growth laws were used to estimate some fractions of the TMF life. The X38CrMoV5 steel presents a global better TMF strength than the 55NiCrMoV7 steel.