Mécanismes de corrosion fatigue : Du fil d’acier perlitique à la nappe composite d’un pneumatique poids lourd

Corrosion fatigue mechanisms : From the pearlitic steel wire to the composite ply of a heavy-duty tyre

• Auteur / Autrice : Jonathan Quibel
• Direction : Véronique Aubin, Nicolas Mary
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 27/04/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Bernard Normand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Aubin, Nicolas Mary, Bernard Normand, Catherine Mabru, Marie Touzet-Cortina, Juan Creus, Marion Fregonese, Nicolas Saintier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Mabru, Marie Touzet-Cortina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fragilisation par l'hydrogène

Acier perlitique

Acier

Mots clés libres

Mécanique

Fatigue

Corrosion

Fragilisation par hydrogène

Simulation par Eléments Finis

Acier perlitique

Nappe composite

Materials

Fatigue

Corrosion

Hydrogen embrittlement

Finite element method

Pearlitic steel

Composite

Résumé

Dans les pneumatiques poids lourds, la nappe carcasse est un matériau composite dont le rôle principal est de soutenir les contraintes mécaniques issues de la pression de gonflage et de la masse du véhicule. Ce composite est formé d’une gomme (mélange caoutchoutique) et de renforts métalliques composés de fils d’acier perlitique tréfilés assemblés sous forme de câbles. Lors du roulage, la nappe carcasse est sollicitée en flexion cyclique sous tension. De plus, différentes espèces chimiques diffusent dans la gomme jusqu’au renfort métallique. Il peut en résulter un endommagement de corrosion fatigue (ECF) du composite. La démarche liée à la réduction de la consommation de carburant et donc des émissions de gaz à effet de serre peut passer par une diminution de la masse du pneumatique et donc du métal utilisé. Cependant, il est nécessaire de comprendre l’ECF pour garantir les mêmes performances du pneumatique. Pour cela, cette étude est réalisée à deux échelles : le fil de 180 µm de diamètre constitutif du câble et la nappe composite. A l’échelle du fil, les essais instrumentés de flexion rotative en environnement aqueux contrôlé montrent que l’endommagement est la conséquence d’un amorçage de fissure de fatigue par dissolution et/ou d’une fragilisation par l’hydrogène du métal. Ils montrent également que la durée de vie des fils est conditionnée par la réactivité de surface des fils par rapport aux ions en solution. Pour la nappe composite, des essais de flexion cyclique sous tension sont réalisés parallèlement à des simulations par éléments finis des câbles gommés (champs des contraintes mécaniques au sein des fils des câbles). En combinant les résultats expérimentaux et numériques, un mécanisme d’endommagement du composite sollicité en fatigue sous environnement est proposé. Le mécanisme montre l’effet synergique entre l’environnement agressif, la sollicitation de fatigue et la géométrie d’assemblage du renfort métallique.

In heavy-duty tires, the carcass ply is a composite material whose main role is to support the mechanical stresses resulting from the inflation pressure and the mass of the vehicle. This composite is made up of a rubber (rubber mix) and metal reinforcements composed of drawn pearlitic steel wires assembled in the form of cables. During rolling, the carcass ply is subjected to cyclic bending under tension. In addition, various chemical species diffuse into the rubber to the metal reinforcement. This can result in a corrosion fatigue damage (CFD) of the composite. The approach linked to the reduction of fuel consumption and therefore of greenhouse gas emissions can involve a reduction in the mass of the tire and thus of the metal. However, it is necessary to understand the CFD to guarantee the same performance of the tire. For this purpose, this study is performed at two scales: the 180 µm diameter wire constituting the cord and the composite ply. At the wire scale, instrumented rotating bending tests in a controlled aqueous environment show that the damage is a consequence of dissolution during fatigue crack initiation and/or hydrogen embrittlement of the metal. They also show that the life of the wires is controlled by the surface reactivity of the wires to ions in solution. For the composite, cyclic bending tests under tension are carried out in parallel with finite element simulations (mechanical stress fields within the wires of the cables). By combining the experimental and numerical results, a damage mechanism of the composite is proposed. The mechanism shows the synergistic effect between the aggressive environment, the fatigue loading, and the assembly geometry of the metallic reinforcement.