Effet du temps de maintien

De nombreux travaux se sont penchées sur l’étude de l’influence du temps de maintien sur le comportement en fatigue des aciers austénitiques inoxydables à haute température, et notamment des aciers 316L et 316L(N) [(Mottot et al., 1982), (Sauzay et al., 2004), (Ermi and Moteff, 1982), (Srinivasan et al., 1999), (Tavassoli, 1986)]. Au cours des essais voués à étudier l’interaction fatigue- relaxation et/ou fatigue-fluage, une phase de maintien en déformation ou en contrainte est introduite dans chaque cycle, en traction ou en compression, comme le montre la figure FIG.I-17.

FIG. I-17: Définition du chargement (a) en fatigue pure (b) en fatigue incluant un temps de maintien en relaxation. Les réponses typiques sont également représentées

3.4.1. Effet du temps de maintien sur la réponse mécanique

L’expérience montre un fort effet du temps de maintien sur le comportement du matériau. Toutefois, l’ampleur de cet effet dépend aussi bien de la température que des niveaux des déformations imposées. Les figures FIG.I-18 et FIG.I-19 comparent l’évolution de l’amplitude de la contrainte au cours du cyclage pour différents temps de maintien en traction, à deux températures 600°C et 550°C. On constate une consolidation cyclique plus rapide en fatigue-relaxation qu’en

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fatigue pure. Une centaine de cycles est suffisante pour atteindre le niveau de contrainte de 200MPa en fatigue avec maintien tandis qu’il en faut 10 000 pour atteindre le même niveau en fatigue continue.

FIG. I-18: Evolution de l'amplitude de contrainte au cours du cyclage pour différents temps de maintien en relaxation (traction). 316LN, ∆ = , % , 600°C (Mottot and Noblecourt, 1996)

FIG. I-19: évolution de l'amplitude de contrainte au cours du cyclage pour différents temps de maintien de relaxation (traction). Acier 316LN, ∆ = . %, 550°C (Sauzay et al., 2004)

L’effet de la durée du maintien sur l’amplitude de la contrainte à saturation est décrit sur la figure FIG.I-20 pour un acier 316L(N). A 600°C, pour des temps de maintien très courts (inférieurs à 30min), on constate un léger durcissement en fatigue avec maintien par rapport à la fatigue continue, le rapport entre amplitudes de la contrainte en fatigue-relaxation et en fatigue pure est légèrement

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supérieur à 1. Pour des temps de maintien plus longs, on constate au contraire un adoucissement du matériau. Plus la durée du maintien augmente plus le matériau adoucit. Cet effet est observé quel que soit le niveau de la déformation imposée et la diminution de l’écrouissage cyclique induite par de longs temps de maintien est plus marquée dans le cas de fortes amplitudes de déformation.

FIG. I-20: Evolution du rapport entre amplitudes de la contrainte en fatigue avec temps de maintien de relaxation en traction (0_{123, 4}) et en fatigue continue (0_123, ) en fonction d la durée du maintien pour un acier 316LN (a) à 600°C (b)

à 550°C (Sauzay et al., 2004).

Les résultats sont quelque peu différents à 550°C (FIG.I-20b). En effet, l’influence de la durée du maintien dépend du niveau de l’amplitude de déformation imposée. Pour de fortes déformations, l’effet du temps de maintien est similaire à celui discuté à 600°C. Un maintien de courte durée induit un écrouissage plus important qu’en fatigue continue, tandis qu’une diminution de l’écrouissage cyclique apparait pour des temps de maintien très longs. La transition entre les deux régimes est décalée à 1000 min (au lieu de 30 min à 600°C). Ce décalage s’explique par le fait que l’activation thermique des mécanismes de viscoplasticité et de restauration est moins importante à 550°C qu’à 600°C. Pour de faibles amplitudes de déformation, seul un sur-durcissement est observé sur tout le domaine du temps de maintien exploré (300min).

Dans le cas d’un maintien en déformation (relaxation), la contrainte relaxe par viscoplasticité et passe d’une valeur σ₆₇₈₉ au début du maintien, à une valeur σ_67:; à la fin du maintien (FIG.I-17b). La contrainte relaxée dépend de la durée du maintien (FIG.I-21). A 600°C, la contrainte relaxée augmente avec le temps de maintien. Plus la durée du maintien est longue plus la contrainte en fin de maintien est faible. La relaxation de la contrainte est plus importante pour les fortes déformations.

A 550°C, de même que pour l’amplitude de contrainte à saturation, la relaxation de la contrainte dépend du niveau de la déformation imposée. Ainsi, pour de faibles niveaux de déformation, la relaxation est très limitée et demeure indépendante du temps de maintien, du moins sur le domaine exploré (jusqu’à 300min). Au contraire, le régime des fortes déformations se distingue par une relaxation plus importante et qui augmente considérablement avec le temps de maintien.

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FIG. I-21: Evolution du rapport entre contrainte après et avant relaxation en fonction du temps de maintien pour un acier 316LN (a) à 600°C (b) à 550°C

Enfin, l’expérience montre un effet important de la durée du maintien sur l’endurance ou la durée de vie du matériau. Le nombre de cycles à rupture diminue avec l’allongement de la durée du maintien. La diminution semble plus drastique pour de faibles déformations notamment à 550°C (Sauzay et al., 2004). Aux fortes déformations, la réduction de la durée de vie avec le temps de maintien est limitée et une saturation peut apparaitre dans certaines conditions (Sauzay et al., 2004).

3.4.2. Effet du temps de maintien sur les structures de dislocations

L’observation des structures de dislocations développées en fatigue continue et en fatigue-relaxation révèle un effet du temps de maintien sur les mécanismes activés au cours de ces chargements. Les observations de Tavassoli (1986) sur un acier 316L(N) à 600°C (FIG.I-22) montrent qu’en augmentant la durée du maintien, la densité des dislocations diminue et la microstructure traditionnellement observée en fatigue pure est de moins en moins marquée. Les arrangements périodiques caractéristiques de la déformation cyclique se désorganisent lorsque le temps de maintien augmente et disparaissent pour des temps de maintien suffisamment longs. Les murs de dislocation sont de moins en moins denses et disparaissent complètement au profit d’une structure plus homogène pour des temps de maintien suffisamment élevés. Sauzay et al. (2004) ont observé un effet similaire du temps de maintien sur les microstructures formées en fatigue-relaxation dans un acier 316L(N) à 550°C (FIG.I-23). Bougault et al. (1984) ont aussi montré que lors d’essais séquentiels (fatigue puis fluage ou l’inverse) la microstructure du second chargement avait tendance à effacer celle apparue lors du premier chargement.

Le temps de maintien critique pour éviter l’apparition des murs dépend aussi bien de la température que de la déformation imposée. Plus la déformation est forte plus le temps critique est long. Ainsi à 600°C, la durée de maintien nécessaire pour éviter l’apparition des structures de dislocations caractéristiques de la fatigue pure est de 90 min pour une amplitude de déformation de 0.6% et de

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30 min pour une déformation de 0.35% (Tavassoli, 1986). Inversement, le temps critique diminue en augmentant la température. Pour des niveaux d’amplitude de déformation comparables (0.3% à 550°C et 0.35% à 600°C) le temps de maintien critique est de l’ordre de 30 min à 600°C et de 300 min à 550°C [(Tavassoli, 1986), (Sauzay et al., 2004)]. On peut noter que ces temps critiques correspondent aux temps de transition durcissement-adoucissement observés sur les courbes des amplitudes de contrainte – temps de maintien. Ceci laisse penser que la diminution de l’écrouissage cyclique serait le résultat de l’activation thermique des mécanismes de restauration rendant difficile la formation des structures de dislocations caractéristiques de la fatigue pure.

FIG. I-22: Effet du temps de maintien sur les structures de dislocations developpées dans un acier 316L à deux amplitudes de déformation à 600°C (Tavassoli, 1986)

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FIG. I-23: structures de dislocations observées dans un acier 316LN à 550°C, ∆ = . % (a) en fatigue pure (b) en fatigue-relaxation ₄= 1<= (Sauzay et al., 2004)

L’effet du temps de maintien sur le comportement cyclique ainsi que sur l’évolution des structures de dislocations se traduit également par un fort impact sur les mécanismes d’endommagement. Les observations effectuées en Microscopie Electronique à Balayage (MEB) sur des faciès de rupture obtenus en fatigue avec maintien montrent l’apparition d’une répartition entre stries et décohésion intergranulaire [(Rezgui, 1982), (Hales, 1980), (Levaillant, 1984)]. Les stries correspondent à une rupture transgranulaire caractéristique de la fatigue pure tandis que la rupture intergranulaire est caractéristique du fluage. Cette répartition évolue avec le temps de maintien, plus le maintien est long moins on observe de stries. Pour des temps de maintien suffisamment longs, les faciès de rupture sont entièrement intergranulaires et ce quels que soient le niveau de déformation et la température.