Modélisation de la tenue en fatigue à haute température d'aciers moulés austénitiques : Application au dimensionnement des turbocompresseurs

High temperature fatigue behavior of austenitic cast steel modeling : Application to turbochargers fatigue design

• Auteur / Autrice : Zeineb Meskine
• Direction : Fabien Szmytka, Vincent Maurel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 19/01/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau ; 1970 -....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles (Palaiseau ; 2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Charkaluk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Szmytka, Vincent Maurel, Catherine Gardin, Marion Risbet-Voitot, Vincent Chiaruttini, Arjen Roos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Gardin, Marion Risbet-Voitot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élastoviscoplasticité

Matériaux -- Fissuration

Acier -- Fatigue

Acier austénitique

Mots clés libres

Acier austénitique moulé

Fatigue oligocyclique

Haute température

Elasto-Viscoplasticité

Fissuration

Austenitic cast steel

Low cycle fatigue

High temperature

Elasto-Viscoplasticity

Crack propagation

Résumé

Les turbocompresseurs, composants des moteurs à combustion interne, sont couramment fabriqués en acier inoxydable austénitique comme la nuance 1.4837. Le respect des réglementations ayant trait aux émissions polluantes des véhicules induit des chargements thermomécaniques de plus en plus sévères qui influence notamment la résistance à la fatigue oligocyclique de ces pièces. Les critères de fatigue relavant de l'amorçage de fissure conduisent à des analyses numériques qui ne sont pas cohérentes avec les durées de vie mesurées à l'essai. La prise en compte de la propagation de fissure devient alors un enjeu majeur de conception. Il s'agit donc ici de proposer un modèle comprenant à la fois les éléments utiles à la définition d'un amorçage de fissure dans un cadre de fatigue sous conditions anisothermes mais aussi ceux nécessaires pour décrire la propagation de fissures en condition de viscoplasticité généralisée.Après avoir détaillé la problématique industrielle et les thématiques scientifiques associées, une caractérisation métallurgique est menée sur l'acier inoxydable 1.4837 où la composition chimique, les phases en présence et la taille de grains sont analysés, mettant en évidence une microstructure grossière et une dispersion importante des modules de Young. Les critères existants sont alors analysés et les faiblesses quant à l'estimation du nombre de cycles à amorçage des essais de fatigue et des durées de vie de la structure industrielle sont identifiées. Une reformulation du critère est alors proposée en intégrant tout d'abord une dépendance à la température d'essai puis la contribution mutuelle de l'énergie plastique dissipée par cycle stabilisé et l'énergie d'ouverture élastique, ce qui permet de prendre en compte les effets de fermeture et de contrainte moyenne. Des essais de fissuration uniaxiale sur éprouvettes entaillées et sous chargements isothermes et anisothermes pour une plage de température entre 300 °C et 950 °C sont ensuite menés afin d'analyser les vitesses de propagation de fissure en fonction de la température, l'amplitude et le rapport du chargement. Pour l'acier considéré, les fissures se propagent en mode transgranulaire tandis que les chemins de propagation observés sont perpendiculaires à la direction de sollicitation même si des interactions entre microstructure et fissures induisent des oscillations. Les effets de fermeture macroscopique et locale en lien avec la viscoplasticité cyclique et la température sont finement analysés. Les courbes de propagation de fissure ont été établies d'abord dans le cadre simplifié de la mécanique linéaire de la rupture. Elles apparaissent décorrélées de la microstructure locale du matériau étudié, mettant en évidence une bonne répétabilité du comportement. Ensuite, une approche basée sur une loi de micro-propagation est également proposée afin d'estimer les vitesses de propagation à partir d'une formulation énergétique. Ce modèle a été validé pour différents niveaux de chargements et est facilement utilisable en bureau d'étude.Enfin, les courbes de propagation ont enfin été établies dans le cadre de la mécanique non-linéaire de la rupture par l'intermédiaire des simulations par éléments finis élasto-viscoplastiques de la propagation de fissure et de la méthode G-Theta dans l'outil Z-cracks. Une étude approfondie de l'évolution des forces motrices de la propagation a été effectuée afin d'évaluer la variation des facteurs d'intensité de contrainte et de la taille de la zone plastique en fonction du chargement et de la longueur de fissure. Une attention particulière est accordée à la description de la fermeture de fissure macroscopique et locale avec la viscoplasticité cyclique et la température. Une étude de corrélation essais/calcul a enfin permis de conclure sur la pertinence de l'ensemble des résultats.

Turbochargers, components of internal combustion engines, are commonly manufactured in austenitic stainless steel such as grade 1.4837. The respect of the regulations concerning the polluting emissions of the vehicles induce more and more severe thermomechanical loads which influence in particular the resistance to the low cycle fatigue of these parts. Fatigue criteria related to crack initiation lead to numerical analyses that are not consistent with the lifetimes measured in the test. This observation also applies to other parts of the automotive sector and the consideration of crack propagation becomes a major design issue. The aim here is then to propose a model including both the elements useful for the definition of a crack initiation in a fatigue framework under anisothermal conditions but also those necessary to describe the propagation of cracks under generalized viscoplastic conditions.After having detailed the industrial problem and the associated scientific topics, a metallurgical characterization is carried out on stainless steel 1.4837 where the chemical composition, the phases in presence and the size of grains are analysed, highlighting a coarse microstructure and an important dispersion of the Young's moduli. The existing criteria, in particular at Stellantis, are then analysed and the weaknesses as for the estimation of the number of cycles to initiation of the fatigue tests and the lifetimes of the industrial structure are identified. A reformulation of the criterion is then proposed by integrating first a dependence on the test temperature and then the mutual contribution of the plastic energy dissipated per stabilized cycle and the elastic opening energy, which allows to take into account the effects of closure and mean stress. Uniaxial crack propagation tests on notched specimens and under isothermal and anisothermal loads for a temperature range between 300 °C and 950 °C (calibrated according to those measured on turbochargers) are then conducted to analyse the crack propagation rates as a function of temperature, amplitude and loading ratio. For the steel considered, the cracks propagate in transgranular mode while the observed propagation paths are perpendicular to the direction of loading even if interactions between microstructure and cracks induce oscillations. The macroscopic and local closure effects related to cyclic viscoplasticity and temperature are finely analysed and the propagation curves are then established first in the simplified framework of linear fracture mechanics. They appear to be uncorrelated with the local microstructure of the studied material, underlining a good repeatability of the behaviour. An approach based on a micro-propagation law is then proposed to estimate the propagation rates from an energy formulation. This model has been validated for different loading levels and can be easily used in a industrial design process.Finally, The propagation curves are finally established in the more realistic framework of nonlinear fracture mechanics through finite element simulations and the G-Theta method in the Z-cracks tool. An in-depth study of the evolution of the driving forces of the propagation was carried out in order to evaluate the variation of the stress intensity factors and the size of the plastic zone as a function of the loading and the crack length. Special attention is given to the description of macroscopic and local crack closure with cyclic viscoplasticity and temperature. Finally, a test/calculation correlation study has allowed us to conclude on the relevance of all the results.