Essais de traction monotone

Les échantillons

Les matériaux étudiés dans le cadre de la traction monotone sont le DP600, le XC70 et le cuivre. Les échantillons ont la même géométrie, seule l’épaisseur change (voir figure 5.2). La géométrie de ces éprouvettes est caractérisée par une zone utile de taille de largeur 10 mm et de longueur 10 mm. L’épaisseur est de 2.5 mm pour chaque matériaux sauf pour le cuivre où l’épaisseur est de 3 mm.

Figure 5.2 – Dimensions des échantillons

Les éprouvettes en DP600 sont obtenues à partir de tôles d’acier découpées dans le sens du laminage au jet d’eau . La face principale de l’échantillon est dans le plan (DL,DT) (voir figure 5.3). Une étape de finition est ensuite réalisée sur les arêtes par fraisage.

Description des essais Les échantillons en cuivre sont, quant à eux, obtenus par électroérosion. La découpe se fait dans le cœur du brut. La face principale est dans le plan (DL,DT) contrairement aux échantillons utilisés en VHCF où la face est dans le plan (DL,DN). Un traitement thermique d’une durée d’une heure à 250 ℃ a été appliqué avant le polissage pour être dans des conditions comparables à celles des échantillons utilisés en VHCF.

Pour tous les types d’échantillons, un polissage est réalisé sur les faces des échan-tillons avec un papier grain de grade 1200.

Les essais

Les essais de traction monotone consistent à imposer un déplacement à une vitesse donnée sur l’échantillon. La vitesse est choisie de manière à avoir un chargement quasi-statique tout en s’assurant un signal thermique suffisamment fort pour notre système d’acquisition.

Deux matériaux ont été testés

– pour le cuivre, 2 essais à une vitesse de 1 mm/s

– pour le cuivre sans traitement thermique, 2 essais à une vitesse de 1 mm/s – pour l’acier DP600, 2 essais à 0.5 mm/s, 3 à 0.1 mm/s et 2 à 0.05 mm/s.

5.2.2 Essais HCF

Les échantillons

Trois matériaux différents ont été sollicités dans le cadre des essais de fatigue HCF : l’acier DP600, le cuivre et l’acier XC70 fourni par Peugeot. Les échantillons en cuivre et DP600 ont la même géométrie et sont préparés de la même manière que pour les essais de traction monotone. Pour l’acier XC70, la géométrie choisie et le polissage sont réalisés de la même manière que pour l’acier DP600.

Les essais

Les essais de fatigue HCF sont différents des essais de fatigue conventionnelle dans la mesure où ils sont effectués de manière discontinue. L’histoire de chargement est complexe. La majorité des essais ont été effectués à des rapports de charges Rσ = −1 et quelques un à Rσ = 0.

L’histoire de chargement consiste en deux étapes répétées jusqu’à rupture de l’échantillon (voir figure 5.4) :

– la première étape (étape mi) consiste à appliquer successivement des charge-ments à contrainte croissante et sur un nombre de cycles faible (de l’ordre de 3000 cycles). L’objectif est de déterminer le comportement du matériau selon le chargement appliqué en faisant l’hypothèse que l’état de fatigue est quasiment constant sur un nombre de cycles faible.

– la seconde étape (étape pi) consiste à «fatiguer» le matériau. Le matériau est soumis à une contrainte élevée sur 100 000 cycles. Des mesures sont réalisées pendant le chargement pour suivre l’évolution de l’état du matériau.

– Ces deux étapes sont ensuite répétées jusqu’à la rupture du matériau. L’objec-tif est d’observer l’évolution du comportement du matériau avec le nombre de cycles.

Figure 5.4 – Histoire de chargement

La fréquence d’acquisition maximale de la caméra IR est de 100 Hz en image com-plète pour la caméra infrarouge et 6000 Hz pour la caméra CCD. Bien que ces fré-quences soient suffisantes pour décrire certains des essais cycliques à basse fréquence de sollicitation, le choix de sous-échantillonnage a été nécessaire afin de réduire la quantité d’images à stocker et par la même occasion d’augmenter la durée d’acquisi-tion. Il a été ainsi défini un couple de fréquence d’acquisition et de sollicitation pour être en mesure de reconstruire le signal expérimental. La fréquence d’acquisition fa

choisie a été de 19 Hz pour des fréquences de sollicitations fsde 30.2 Hz (aciers DP600 et XC70) ou 50.5 Hz (Cuivre) selon les essais. Cette condition de sous-échantillonnage ne permet pas de connaitre directement le comportement du matériau sur un cycle (voir figure 5.5). Il a fallu mettre au point une stratégie pour déterminer un compor-tement moyen sur plusieurs cycles détaillées aux pages 62 pour la caméra CCD et 73 pour la caméra IR.

Figure 5.5 – Exemple de sous-échantillonnage

Plusieurs campagnes d’essais ont été réalisées au LMGC afin d’explorer les diffé-rents matériaux. Il faut ajouter que le dispositif de mesures combinant la corrélation d’images numériques et la thermographie IR à «haute fréquence» a été opérationnelle en fin de thèse. Par conséquent, il y a eu uniquement des mesures thermiques pour

Description des essais l’essentiel des campagnes d’essais, seule la dernière campagne d’essais a été réalisée avec le dispositif de mesure qui combine mesures cinématiques et thermiques.

Les essais au LMGC se sont principalement déroulés en début et fin de première année de thèse et en milieu de troisième année de thèse. Pendant la deuxième année de thèse, la machine de traction-compression a été mise en maintenance et le système d’asservissement mis à jour. Il a fallu attendre plusieurs mois pour être formé au nouveau logiciel de pilotage et pour que les réglages PID propres à chaque matériau utilisé dans notre étude soient mis en place. Le correcteur PID est un système qui permet de s’assurer que la consigne donnée à la machine (par exemple la force ou le déplacement) est bien respectée. On peut également ajouter que les caméras IR ont également bénéficié d’une maintenance en cours de deuxième année.

Un nombre important d’essais a été réalisé pour s’assurer de la répétabilité, les plus importants sont présentés dans le tableau 5.5 (les contraintes données ici corres-pondent à ∆σ et non ∆σ/2. Certains essais ont été arrêtés bien que la rupture de l’échantillon ne soit pas intervenue).

Campagne de février 2010 (LMGC : mesures thermiques) Rσ = −1 DP600 sollicité de 150 à 560 MPa jusqu’à 2.106 cycles

DP600 sollicité de 150 à 560 MPa jusqu’à 2, 2.106 cycles DP600 sollicité de 150 à 560 MPa jusqu’à 400.103 cycles

Campagne de septembre 2010 (LMGC : mesures thermiques) Rσ = −1 XC70 sollicité de 280 à 580 MPa jusqu’à 740.103 cycles

XC70 sollicité de 280 à 580 MPa jusqu’à 110.103 cycles XC70 sollicité de 280 à 580 MPa jusqu’à 110.103 cycles

Campagne de octobre 2010 (LMGC : mesures thermiques) Rσ = 0 XC70 sollicité de 280 à 580 MPa jusqu’à 425.103 cycles

XC70 sollicité de 280 à 580 MPa jusqu’à 110.103 cycles

Campagne de septembre 2011 (LMGC : mesures thermiques) Rσ = −1 Échantillon Cuivre sollicité de 40 à 200 MPa jusqu’à 15.103 cycles

Campagne de janvier 2012 (LMGC : mesures cinématiques et thermiques) Rσ = −1 XC70 sollicité de 290 à 485 MPa jusqu’à 959.103 cycles

DP600 sollicité de 150 à 560 MPa jusqu’à 251.103 cycles DP600 sollicité de 150 à 560 MPa jusqu’à 605.103 cycles

Cuivre sans traitement thermique sollicité de 40 à 165 MPa jusqu’à 487.103 cycles Cuivre sans traitement thermique sollicité de 40 à 165 MPa jusqu’à 487.103 cycles Cuivre sollicité de 40 à 165 MPa jusqu’à 605.103 cycles

DP600 sollicité de 150 à 560 MPa jusqu’à 369.103 cycles Cuivre sollicité de 40 à 165 MPa jusqu’à 959.103 cycles Cuivre sollicité de 40 à 165 MPa jusqu’à 723.103 cycles

Tableau 5.5 – Principaux essais HCF

5.2.3 Essais VHCF

Les échantillons

Dans le cas des essais de fatigue ultrasonique, quatre matériaux ont été utilisés : le cuivre, le laiton, le fer Armco et un acier haute résistance (non présenté dans 87

la thèse pour des raisons de confidentialité). Les échantillons sont dimensionnés en utilisant la méthode détaillée dans la section 3.5 page 52. Les dimensions obtenues sont indiquées dans le tableau 5.6 et la figure 5.6. Il est important de noter ici que contrairement aux essais de HCF, les échantillons en cuivre ont la face dans le plan (DL, DN). Par contre, le traitement thermique est le même qu’en HCF. Sur l’ensemble de ces échantillons, un polissage assez fin est réalisé (papier grain 4000) et suivi d’un polissage électrolytique. La préparation de ces échantillons est présentée plus en détail dans les thèses de Ngoc-Lam Phung et Chong Wang.

Figure 5.6 – Dimension de l’échantillon utilisé en VHCF

Cu Laiton Armco R 27.25 27.25 31.4 L₁ 16.5 13.5 34.8 L₂ 15 15 17 R₁ 1.5 1.5 2 R₂ 6 6 7 e_p 2 2 1

Tableau 5.6 – Dimension des échantillons (mm)

Les essais

Les essais consistent alors à réaliser des blocs de cycles de 106,107,108ou 109cycles pour différentes contraintes de sollicitation. Le chargement est de type Rσ = −1 pour une fréquence de 20 kHz. La majorité des essais se déroulent pour des contraintes bien en dessous de la limite de fatigue du matériau.

Un flux d’air est utilisé pour refroidir le convertisseur piézoélectrique, aucun flux d’air forcé n’est par contre appliqué directement à l’échantillon. Des blocs de cycles plus courts sont réalisés lorsque la variation de température sur l’échantillon est trop forte pour le système de mesure infrarouge à une contrainte donnée. La fréquence d’acquisition fa était de l’ordre de 10 Hz, des enregistrements discontinus à intervalle régulier sont réalisés pour des essais longs (> à 108 cycles).

Un nombre important d’essais de fatigue VHCF a été réalisé en collaboration avec Ngoc-Lam Phung et Chong Wang. Les essais sont typiquement des séries de blocs de cycles pendant lesquels l’évolution de la température est mesurée. À la fin de chaque bloc de cycles, des mesures micrographiques pour observer l’évolution de

Description des essais la microstructure sont réalisées par microscope optique et microscope électronique à balayage par Ngoc-Lam Phung et Chong Wang.

Ces doctorants travaillent dans des laboratoires différents (PIMM et LEME). Les laboratoires où se sont déroulés les essais VHCF possèdent chacun une ou plusieurs machines piézoélectriques. Il faut noter que les conditions d’essai ne sont pas toujours les mêmes d’une campagne d’essai à l’autre (salle différente, flux d’air refroidissant le système piézoélectrique différent). La caméra IR, appartenant au LMGC, a été transportée à chaque fois dans le laboratoire où s’est déroulé les essais.

On peut ajouter que plusieurs difficultés ont été rencontrées lors des essais VHCF. Parmi elles, on peut citer le contrôle du flux d’air qui n’a pas été toujours constant et qui pose un réel problème pour estimer les fuites thermiques (que l’on suppose constantes dans le temps) et le calcul des sources de chaleur. Le démarrage des es-sais VHCF a également posé quelques difficultés. Des ruptures d’échantillons ou des hausses de température anormales ont été constatées dès le démarrage même à faible contrainte. Il semble que la consigne en tension au démarrage du système piézoélec-trique n’est pas toujours respectée. Cette difficulté a été contournée par une augmen-tation plus lente de la consigne en tension sur les premiers centièmes de secondes des essais. Le système d’attache (vis de fixation) entre l’échantillon et la sonotrode a été satisfaisant dans la plupart des essais VHCF mais pose parfois problème à des ampli-tudes de contraintes élevées (la vis se dévisse d’elle même). Enfin, il ne faut pas ignorer les éventuelles impuretés apportées lors de manipulations ou par la soudure entre la vis de fixation et l’échantillon qui peuvent parasiter les mesures de température et les observations microstructurales.

Les essais les plus intéressants (la contrainte désigne ici ∆σ/2) sont présentés dans le tableau 5.7.

Il est important de noter ici que les travaux de Ngoc-Lam Phung concernant les observations de la microstructure se focalisent principalement sur l’émergence des premières bandes de glissement à la surface du matériau (principalement le cuivre et le laiton) et leur évolutions avec la fatigue. La majorité des essais sur le cuivre et le laiton sont donc à très faible contrainte (2 à 3 fois inférieure à la limite d’endurance du matériau à 1010 cycles). Compte tenu de ces conditions d’essais, aucune rupture d’échantillons en cuivre et laiton n’a été constatée.

Les observations micrographiques de Chong Wang se concentraient sur l’amorçage et la propagation des fissures et leurs liens avec la température sur le Fer Armco. Il observait également les faciès de rupture. La collaboration avec Chong Wang a donc donné la possibilité de réaliser des essais à des amplitudes de contrainte élevées (du même ordre de grandeur que la limite de fatigue conventionnelle du matériau) et d’observer la rupture de l’échantillon. Les comparaisons entre analyses calorimétriques et rupture d’échantillon dans cette thèse concernent donc surtout le Fer Armco.

Une partie des résultats de Ngoc-Lam Phung, Chong Wang et Nicolas Marti sera présentée à la fin de ce mémoire (principalement les mesures au microscope optique). La lecture de leurs thèses est conseillée pour une analyse microstructurale plus fine des mécanismes de fatigue à l’échelle du grain.

Les caractéristiques des matériaux et des essais ont été détaillées. La suite de ce chapitre présente dans un premier temps une analyse des champs de température observés en VHCF. Les résultats expérimentaux sont ensuite exploités pour analyser la pertinence des concepts de limite de fatigue et d’état cyclique stabilisé.

Le caractère homogène/hétérogène des sources de chaleur permet ensuite

Campagne de septembre 2010 (PIMM)

Cuivre sollicité de 15 à 70 MPa avec des blocs de 106 et 107 cycles. Cuivre sollicité à 55 MPa par bloc jusqu’à 2.108 cycles.

Cuivre sollicité à 45 MPa par bloc jusqu’à 108 cycles. Cuivre sollicité à 35 MPa par bloc jusqu’à 109 cycles. Cuivre sollicité à 51 MPa par bloc jusqu’à 108 cycles.

Cuivre sollicité de 15 à 56 MPa avec des blocs de 2.107 cycles. Campagne de décembre 2010 (PIMM)

Cuivre sollicité à 56 MPa par bloc jusqu’à 108 cycles. Cuivre sollicité à 51 MPa par bloc jusqu’à 108 cycles. Cuivre sollicité à 46 MPa par bloc jusqu’à 2.108 cycles. Cuivre sollicité à 71 MPa par bloc jusqu’à 2.107 cycles. Cuivre sollicité de 23 à 85 MPa avec des blocs de 107 cycles. Laiton sollicité à 75 MPa par bloc jusqu’à 108 cycles.

Laiton sollicité de 23 à 85 MPa avec des blocs de 107 cycles. Fer Armco sollicité à 85 MPa par bloc jusqu’à 1, 5.107 cycles. Fer Armco sollicité à 90 MPa par bloc jusqu’à 3, 3.106 cycles. Campagne de mars 2011 (PIMM)

Cuivre sollicité à 23 MPa par bloc jusqu’à 109 cycles. Cuivre sollicité à 15 MPa par bloc jusqu’à 109 cycles.

Cuivre sollicité de 23 à 56 MPa avec des blocs de 106 et 107 cycles. Laiton sollicité de 23 à 85 MPa avec des blocs de 106 et 107 cycles. Campagne de avril 2011 (LEME)

Fer Armco sollicité à 120 MPa par bloc jusqu’à 109 cycles. Fer Armco sollicité à 120 MPa par bloc jusqu’à 5.106 cycles. Campagne de mars 2012 (PIMM)

Laiton sollicité de 19 à 114 MPa avec des blocs de 106 cycles. Cuivre sollicité de 19 à 100 MPa avec des blocs de 106 cycles. Cuivre sollicité de 23 à 56 MPa avec des blocs de 106 et 107 cycles. Laiton sollicité de 23 à 85 MPa avec des blocs de 106 et 107 cycles. Laiton sollicité de 23 à 100 MPa avec des blocs de 106 cycles. Cuivre sollicité de 23 à 100 MPa avec des blocs de 106 cycles.

Tableau 5.7 – Principaux essais VHCF

lyser puis de comparer la dissipation à la microstructure à l’échelle mésoscopique. La comparaison des essais HCF/VHCF est utilisée pour juger d’un éventuel effet du gradient de contrainte et de la fréquence.

Le chapitre se termine par la présentation de quelques propriétés du bilan d’éner-gie.

De l’intérêt d’un passage des températures aux sources de chaleur

5.3 De l’intérêt d’un passage des températures aux