L’étude de la durée de vie des aciers réfractaires pour les moules de formage superplastique : essais et simulations

Study the high temperature behaviour and the life-time of heat-resistant steel superplastic forming moulds : tests and simulations

• Auteur / Autrice : Alexandre Martinier
• Direction : Gérard Bernhart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier réfractaire

Éléments finis, Méthode des

Matériaux -- Détérioration

Durée de vie (ingénierie)

Formage superplastique

Résumé

Le formage superplastique est une technique innovante de mise en forme des matériaux, mettant à profit les propriétés superplastiques de certains alliages. Les industriels, principalement dans l’aéronautique, conscients des avantages technologiques sont dors et déjà utilisateurs. Toutefois les conditions extrêmes de formage imposent sur les outillages en acier réfractaire de très fortes contraintes thermomécaniques occasionnant leur détérioration. Ce travail a pour objet : l’étude de la durée de vie des aciers réfractaires constitutifs des moules de formage superplastique. Le travail vise à introduire des outils de simulations numériques afin d’assister la conception et le dimensionnement des outillages. Une étude bibliographie sur les conditions de service et un état de l’art sur les aciers réfractaires ont été conduits. Une large campagne d’essai de fatigue cyclique à haute température a permis d’identifier un modèle de comportement élasto-viscoplastique cyclique et de proposer une méthodologie de prédiction de la durée de vie. Pour cela, un modèle d’endommagement en fluage formulé en déformation a été modifié pour prendre en compte les effets de fatigue-relaxation à haute température, par l’introduction d’un effet de fréquence. Parallèlement, des investigations sur la microstructure, ont été réalisées à différentes échelles d’observation ; celles-ci ont mis en évidence le comportement mécanique très hétérogène du matériau à l’échelle du grain. L’ensemble de ces résultats a été utilisé dans le cadre d’une prédiction, par simulation numérique par éléments finis, de la durée de vie en fatigue haute température d’éprouvettes avec différents rayons de fond d’entaille

Superplastic forming is an innovative material forming process, making profitable the alloy superplastic properties. The companies, mainly in aeronautical industry, knowing this technological advantage are already end-users. However an extreme forming environment is imposed on the casted heat-resistant Ni-Cr-Fe steel tooling, generating very high thermomechanical stresses and causing their premature damage. The main objective of this work is to study the high temperature behaviour and the life-time of heat-resistant steel superplastic forming moulds. In this frame, work aims at introducing computer simulation tools in order to assist the design and the dimensioning of the moulds. A bibliographic study on the operational conditions and a state of the art on high temperature properties of heat-resistant steels were performed. A cyclic fatigue test campaign at high temperature (25°C-950°C) was performed to identify, on the one hand, a cyclic elasto-visco-plastic constitutive model, and on the other hand to propose a methodology for life-time prediction. To this extend, a strain formulated creep damage model was modified in order to take into account the effects of fatigue-relaxation at high temperature, by introducing a frequency effect. In parallel, the microstructural investigations at different observation scales have shown a heterogeneous mechanical behaviour of material at the grain scale. All these results were used in a validation stage that compares high temperature fatigue tests on notched samples with the finite element simulations.