Le rôle de l’environnement sur l’endommagement des métaux à haute température a été mis en évidence par de nombreux travaux [102-108]. Selon Petit: «La résistance à la fatigue des matériaux métalliques peut être profondément altérée par le milieu environnant à l’état liquide ou gazeux» [109, 110]. L’auteur rapporte une revue des travaux menés sur l’étude des effets d’environnement sur divers matériaux (fer et aciers, aluminium et ses alliages, alliages base nickel, magnésium et ses alliages et alliages de titane) [109]. Le couplage entre la sollicitation mécanique et l’effet de l’environnement est communément qualifié de Fatigue-Corrosion, bien que le terme soit habituellement utilisé pour caractériser spécifiquement la fatigue en milieu aqueux [109]. Le liquide agit soit par la fragilisation du métal de base, soit par interaction chimique, conduisant à la formation de dépôts sur la surface. Selon Fernandes et al. [111], l’effet de la fragilisation peut être décrit par les modèles de réduction de l’énergie de surface (décrite par le théorème de Grifftith), de réduction de la cohésion inter-atomique, de perturbation de l’émission de dislocations, de diffusion intergranulaire (Hanckock et Ives), de dissolution assistée par la contrainte et de pénétration dans les joints de grains. Les mécanismes décrits sont causés soit par l’adsorption des atomes du liquide en surface, soit par la diffusion à l’intérieur du métal. Ces approches sont donc applicables à une échelle atomique, ce qui rend leur caractérisation quantitative très complexe. Toutefois, un modèle de propagation de fissures en fatigue, qui a été validé dans différentes conditions, est proposé par Petit et al. [110]. Le modèle rend compte de l’adsorption de la vapeur d’eau et de la fragilisation par l’hydrogène, intervenant à des vitesses de fissuration distinctes.
Cas des aciers à outils
La forte sensibilité de l’acier à l’aluminium, à l’eau et à l’air, notamment à haute température, fait de l’environnement un facteur essentiel dans le processus d’endommagement des outillages. Les outillages de FSPAl ne sont exposés à l’aluminium en fusion que durant une très brève fraction du cycle (quelques centaines de millisecondes) [17]. Ainsi, les conditions de sollicitation en FSPAl ne sont pas considérées agir de la même manière que la corrosion sous contrainte ou que la fatigue sous corrosion [16]. Cependant, comme indiqué plus haut, l’oxydation et l’aluminisation sont omniprésentes dans les moules de FSPAl de production [21, 25, 27, 29, 38, 49, 92, 112]. Les mêmes conclusions sont retenues quant aux structures testées à l’échelle de laboratoire. L’effet de l’environnement, et notamment de l’oxydation, a été qualifié par Manson comme une source importante de l’instabilité de la surface [25]. L’oxydation et l’aluminisation impliquent le transport d’éléments d’alliages, conduisant à la modification de la composition chimique en surface [25]. Howes évoque «une déplétion en élément d’alliage» pour désigner ce phénomène d’appauvrissement de la matrice [73]. Les couches d’oxydes ou d’intermétalliques se caractérisent par leur comportement fragile (dureté élevée). Cela peut affecter, du point de vue mécanique, la résistance à la fissuration de la surface de l’acier. L’environnement agit également en profondeur avec d’éventuelles pénétrations des oxydes ou d’intermétalliques à l’intérieur des fissures [25, 27, 38, 73]. La présence de ces solides peut empêcher le déplacement libre des lèvres de fissures et accélère ainsi leur propagation [27]. Les fissures se propagent par ailleurs plus rapidement à travers ces couches de moindre ductilité.
Les constats relatifs à l’effet de l’environnement par FT des aciers à outils, avancés ci-dessus, ne sont toutefois fondés que sur des hypothèses. À notre connaissance, il n’existe pas d’étude expérimentale systématique sur la relation entre FT et environnement, bien que l’effet de ce dernier soit représenté dans la plupart des essais de FT. Cependant, les travaux de Rousseau sur l’effet d’une pré-oxydation ont permis de montrer son influence sur l’amorçage et la morphologie du faïençage [83]. Tsujji et al. [113] ont ainsi montré que la durée de vie de l’acier «AISI H11» testé en FI (à 600 °C) était doublée sous vide par rapport à un essai sous air.
I.2.2.4. Étude de la durée de vie en FT
L’endommagement par FT est souvent traité comme un cas particulier de la fatigue classique, bien que les cycles de contraintes et de déformations soient engendrés par la variation thermique plutôt que mécanique [114]. Néanmoins, l’évaluation du dommage dans le cas de la FT est beaucoup plus complexe que dans le cas de fatigue mécanique, qui n’est elle-même pas spécialement simple [35]. Pour étudier l’amorçage, de nombreux auteurs ont tenté, avec succès, d’extrapoler les lois de la Fatigue Isotherme (FI) aux cas de la FT. Certains auteurs ont réadapté les modèles selon leurs conditions d’essais, pour rendre compte des effets de la température, de la période et de la forme du cycle, du temps et de l’environnement et donner ainsi une meilleure fiabilité aux calculs. De nouveaux modèles ont également été établis, en intégrant des mécanismes pouvant interférer avec
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l’endommagement par FT, comme l’oxydation ou le fluage. Une revue bibliographique des modèles utilisés pour étudier l’amorçage en FT est donnée dans la référence [93].
Les études de propagation de fissures sous contraintes d’origine thermique sont toutefois moins avancées qu’en amorçage, bien qu’elles mettent unanimement en évidence l’usage de la mécanique de la rupture, particulièrement en élasticité [23, 35, 53, 93, 110, 114-123]. En effet, les paramètres caractéristiques de la distribution des contraintes ou des déformations thermomécaniques au voisinage de la fissure, définis par la Mécanique Linéaire Élastique de la Rupture (MLER), peuvent rendre quantitatif le phénomène de fissuration par FT.
Cette section est dédiée à l’étude de la propagation des fissures de FT par application du concept de la MLER. La problématique, notamment sur le plan expérimental, est discutée ci-après.