Amorçage et propagation des macro-fissures en mode

Dans cette section, nous définissons l’amorçage, comme l’apparition d’une fissure macroscopique qui se développe dans le substrat. L’amorçage de macro-fissures implique donc la propagation d’une ou plusieurs micro-fissures dans l’acier. L’observation des faces latérales de l’éprouvette permet de les détecter à l’échelle de quelques dizaines de microns (~50 μm). La forme elliptique de la fissure dans le congé complique cependant la mesure de sa profondeur dans cette zone. Nous utilisons donc la méthode analytique décrite au Chapitre II pour estimer la profondeur maximale de la fissure à partir de la projection horizontale de la trace de la fissure sur la surface.

Plusieurs macro-fissures s’amorcent simultanément à partir du réseau de micro-fissures. Les macro-fissures se distinguent par leur ouverture, et se répartissent de manière aléatoire sur la crête des éprouvettes (cf. Figure IV.3.j).

Une transformation morphologique du réseau de faïençage est observée lors de l’apparition de la macro-fissuration (cf. Figure IV.3.k, l et n). Il s’agit d’un gonflement local des lèvres des macro- fissures, qui augmente la rugosité de la surface de l’oxyde. Ceci est accompagné par une diminution de la densité du faïençage, due à la disparition des micro-fissures secondaires. En effet, seules les micro-fissures se propageant en sous-couche (dans l’acier) sont visibles en surface. Sur la Figure IV.4.a, qui illustre une vue du faïençage à la fois en surface et en coupe, on peut en effet identifier les micro-fissures principales présentant un aspect bombé en surface comme celles qui se sont propagées dans le substrat. La propagation des micro-fissures secondaires présentant une surface plane se trouve limitée à la couche d’oxyde.

Peu de fissures se développent en profondeur, marquant ainsi la formation de macro-fissurations. La durée de vie à l’amorçage est plus courte dans le cas des éprouvettes de type «SR1» et «SR3» par rapport à la géométrie de type Glenny («SRG»). En effet, les macro-fissures sont détectées respectivement à 5000, 6000 et 17500 cycles.

Les macro-fissures évoluent simultanément en profondeur, dans le substrat et sur la surface (dans l’oxyde) où elles suivent, dans les premiers stades de propagation (partie supérieur de l’éprouvette), le chemin de propagation de la micro-fissuration (cf. Figure IV.1.e et Figure IV.3.j et m).

Figure IV.3 : Évolution de l’endommagement par FT de l’éprouvette «SR1» au cours des cycles (essais sous air avec le cycle 100-650 °C): croissance de l’oxydation, de la micro-fissuration «faïençage uniaxial», et des

Durée de vie et mécanismes d’endommagement en fatigue thermique 135

Figure IV.4 : a) Correspondance entre les micro-fissures en surface (faïençage) et en en profondeur, b) Vue détaillée de l’interface entre l’acier et l’oxyde («SR1», 100-650 °C sous air, 30000 cycles)

Pour les trois types de géométrie, la propagation des macro-fissures est, à l’instar de la micro- fissuration, contrôlée par la contrainte circonférentielle. La Figure IV.5 montre que dans une échelle macroscopique les fissures évoluent suivant un plan normal à l’axe ortho-radial «» en mode d’ouverture (Mode I). Cependant, la propagation peut se faire localement suivant des plans inclinés (cf. Figure IV.5.d et e). Pour les fissures les plus profondes, le chemin de propagation est plus accidenté en surface (cf. Figure IV.5.g).

Figure IV.5 : Propagation de fissures en mode d’ouverture dans le cas d’éprouvettes à section réduite «SR1» (a, d-g), «SR3» (b) et «SRG» (c)

À l’issue de l’amorçage de la macro-fissuration, les fissures dont la profondeur est inférieure à 100 microns s’arrêtent momentanément, et l’on ne dénombre, en général, que deux fissures (diamétralement opposées) dont la propagation se poursuit au-delà de 2 mm de profondeur.

Micro-fissure Secondaire Faïençage uniaxial _{En surface} En coupe Oxyde riche en Cr Oxyde pauvre en Cr a) b)  ap f) g)  a) b) c) Soudure de thermocoucple f) g) d) e)

Pour l’éprouvette «SR3», la phase de propagation se fait tout d’abord dans l’un des deux congés, où le front de la fissure avance dans un sens incliné par rapport à l’axe radial «rr». La pointe de la fissure située sur la partie supérieure du disque progresse plus rapidement (suivant l’axe «zz») que celle située sur le bord latéral du disque (suivant l’axe «rr»). La fissure s’équilibre au-delà des congés, lorsque ses deux bords débouchent sur les faces latérales du disque. Dans le cas des éprouvettes «SR1» et «SRG», les fissures s’amorcent dans le congé de manière symétrique par rapport au plan de symétrie normal à l’axe de l’éprouvette. La détermination de la propagation des fissures y est par conséquent plus aisée, en particulier dans le cas de «SR1».

Les courbes de propagation, présentées en Figure IV.6.a, illustrent une évolution classique d’une fissure de FT en forme de «S» (sigmoïdale). La propagation de la fissure s’accélère au départ dans le congé, puis se stabilise pour ralentir lorsqu’elle atteint une certaine profondeur. Au-delà de la zone de courbure, la fissure évolue de manière similaire dans les géométries «SR1» et «SR3». La propagation est plus lente dans le cas de la géométrie «SRG» où la décélération commence à de plus faibles profondeurs. Dans ce cas («SRG»), les fissures ne dépassent pas une profondeur de 2,5 mm (55000 cycles) alors qu’elles sont aussi nombreuses que dans le cas des autres géométries.

Sur la Figure IV.6.b sont représentées les évolutions de l’ouverture de fissures (mesurée à froid en arrière de fissure) en fonction de leur profondeur de propagation. Ainsi, on observe que les fissures s’ouvrent davantage pendant leur croissance. L’ouverture de la fissuration varie cependant très peu en fin d’essai. L’analyse en coupe montre que les fissures sont remplies d’oxyde, formé sur les nouvelles surfaces libres créées lors de la propagation (cf. Figure IV.7). L’observation in-situ montre que la fissure se ferme durant le chauffage et s’ouvre lors de refroidissement. La fermeture cyclique conduit ainsi à la fragmentation de l’oxyde présent sur les surfaces internes de la fissure. La propagation des fissures est généralement trans-granulaire. Dans les parties les plus chaudes (à faible profondeur), la propagation est assistée par l’oxydation, qui affecte une zone superficielle du substrat entraînant ainsi l’émoussement de la tête de fissure (cf. Figure IV.7.b). L’effet de l’oxydation s’atténue en profondeur, où les surfaces fraîchement créées sont exposées à l’air pour des durées plus courtes et à plus faibles températures. En l’absence d’oxydation, les fissures présentent des branchements (bifurcation) le long des joints de lattes (cf. Figure IV.7.a).

Les micrographies au MEB des faciès de rupture des fissures principales sur les éprouvettes «SR1» et «SRG» sont illustrées respectivement en Figure IV.8.a et b. L’analyse fractographique montre que les surfaces de rupture sont très oxydées et présentent une forte rugosité. Le front de fissure est plus avancé à cœur que sur les faces latérales du disque. Cela traduit que les fissures se propagent plus rapidement à cœur où elles évoluent en état de déformation plane. La zone plastique en tête de la fissure est en effet plus grande sur la surface libre, où la propagation s’effectue en état de contraintes planes. Dans le cas de la géométrie «SRG», le décalage du front de fissure à cœur et en surface est plus important. De plus, l’épaisseur de l’éprouvette augmente en profondeur, pour cette géométrie, modifiant ainsi les conditions de sollicitation.

Durée de vie et mécanismes d’endommagement en fatigue thermique 137

Figure IV.6: Évolution de la profondeur (a) et de l’ouverture (b) de la fissure principale, pour les trois géométries «SR1», «SR3» et «SRG» (cycle100-650 °C sous air)

Figure IV.7 : Mécanismes de propagation (en profondeur) des fissures de FT («SR1» 100-650 °C sous air 30000 cycles); a) fissure longue, b) fissure courte et c) schéma de fissure de FT sous air

Figure IV.8 : Observation au MEB du faciès de rupture de la fissure principale Dans le cas de la géométrie « SR1» à 30000 cycles (a) et «SRG» à 55000 cycles (b) a) b) c)