Étude expérimentale des mécanismes et hétérogénéités de déformation d'aciers ferroviaires à gradient de microstructure

Experimental investigation of the deformation mechanisms and heterogeneities of railway steels with microstructure gradient

• Auteur / Autrice : Adrien Berger
• Direction : Denis Najjar, Mirentxu Dubar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 24/06/2022
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle - Laboratoire de Mécanique- Multiphysique- Multiéchelle - UMR 9013 / LaMcube
• Jury : Président / Présidente : Patrick Villechaise
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Risbet-Voitot, Rian Seghir, Ahmed El Bartali
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Aubin, Clément Keller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Acier ferritique

Acier perlitique

Plasticité

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Microstructure

Mesure de champs

Plasticité

Aciers ferrito-Perlitiques

Hétérogénéités

Localisations

Microstructure

Full-Field measurements

Plasticity

Ferrite-Pearlite steels

Heterogeneities

Localisations

Résumé

Les organes de roulement ferroviaires (roues et axes) présentent des gradients de microstructure ferrito-perlitique, c’est-à-dire une variation continue de la taille et de la fraction des constituants de la microstructure (ferrite pro-eutectoïde et perlite eutectoïde). L’impact de ces gradients sur la durée de vie en fatigue est incertain. Cette thèse s’intéresse à une problématique préalable mais nécessaire : l’identification des mécanismes de plasticité de ces aciers ferrito-perlitiques sous sollicitation monotone.Pour ce faire, une méthodologie expérimentale, s’appuyant sur des mesures de champs cinématiques surfaciques à l’échelle de la microstructure par la méthode de Corrélation d’Images Numériques, a été développée. Les mesures sont superposées sur la microstructure repositionnée et analysées au regard de la taille et de l’orientation cristallographique des constituants de la microstructure en surface. Elles sont complétées après essai par des observations optiques et électroniques de la surface déformée.Cette méthodologie est appliquée, dans un premier temps, sur une éprouvette de fer pur recristallisée, dont la microstructure ferritique monophasée et à gros grains permet de projeter les mesures cinématiques sur les directions préférentielles de glissement et d’analyser finement les localisations de plasticité. Dans un second temps, l’étude d’une éprouvette à microstructure perlitique, préalablement élaborée en laboratoire permet d’aborder les hétérogénéités de déformation dans le constituant plus complexe qu’est la perlite eutectoïde. Enfin, les essais sont réalisés sur des éprouvettes à microstructure ferrito-perlitique prélevées dans les organes ferroviaires ou élaborées en laboratoire. L’influence respective de la fraction des constituants, de la taille de la microstructure et de l’espacement interlamellaire perlitique est discutée

Railway gears (wheels and axles) show ferrite-pearlite microstructure gradients, i.e. a continuous variation in the size and fraction of the microstructure constituents (pro-eutectoid ferrite and eutectoid pearlite). The impact of these gradients on the fatigue life is uncertain. This thesis focuses on a preliminary but necessary problem: the identification of the plasticity mechanisms of these ferrite-pearlite steels under monotonic loading.To this end, an experimental methodology, based on full-field kinematics surface measurements at the microstructural scale with Digital Image Correlation, has been developed. The measurements are superimposed on the repositioned microstructure and analyzed with respect to the size and crystallographic orientation of the surface microstructure constituents. They are completed after testing by optical and electron observations of the deformed surface.This methodology is first applied on a recrystallized pure iron specimen, whose single-phase, coarse-grained ferrite microstructure allows to project the kinematic measurements on the preferential slip directions and to analyze finely the plasticity localizations. In a second step, the study of a specimen with pearlite microstructure, previously elaborated in laboratory, allows to investigate strain heterogeneities in the more complex constituent that is eutectoid pearlite. Finally, the tests are carried out on specimens with ferrite-pearlite microstructure extracted from railway gears or elaborated in laboratory. The respective influence of the fraction of constituents, the size of the microstructure and the pearlite interlamellar spacing is discussed