Essais sur pi` ece industrielle

Des essais ont ´et´e r´ealis´es par le CREAS, centre de recherche d’Ascometal dans le cadre du projet Optiforge. Le but consistait `a comparer les r´esultats obtenus par le LPMI et le

3.4. ESSAIS DE FATIGUE 83

laboratoire MATEIS sur le barreau de 80 mm `a ceux obtenus sur la pi`ece r´eelle. Etant donn´e que le corroyage et le pass´e thermom´ecanique sont diff´erents, il ´etait int´eressant d’obtenir la tenue en fatigue dans les deux cas de figure.

Essais sur ´eprouvettes normalis´ees

Les ´eprouvettes ont ´et´e pr´elev´ees dans le triangle de suspension au niveau de la partie encastr´ee (figure 3.42). Les essais en traction monotone permettent d’obtenir un Re =

675 M P a et un Rm = 1074 M P a avec un allongement A = 9.5 %. Ces valeurs sont

proches des valeurs obtenues sur le barreau de 80 mm.

Figure 3.42 : Zone de pr´el`evement des ´eprouvettes dans le triangle de suspension

Pour les essais de fatigue, les g´eom´etries et les essais staircases correspondants sont r´ef´erenc´es en annexe H. Pour l’essai en traction - compression altern´ee, nous obtenons une limite d’endurance de σD = 500 M P a avec un ´ecart-type de 9 M P a. Cette valeur est

`

a comparer `a celle obtenue par l’ENSAM d’Angers sur le barreau de 80 mm. La diff´erence est de 24 M P a. Il s’agit d’une diff´erence li´ee, en partie, au proc´ed´e de forgeage, par le biais du corroyage. En effet, plus le corroyage est ´elev´e, et plus la tenue `a la fatigue est ´elev´ee. De mˆeme, les essais en torsion donnent une valeur σD = 330 M P a avec un

´

ecart-type de 22.5 M P a. Nous obtenons une diff´erence de 35 M P a par rapport aux essais men´es par l’INSA Lyon. Le tableau suivant r´esume toutes les donn´ees.

Tableau 3.5 : R´esultats des essais sur le triangle de suspension

traction-compression torsion altern´ee (MPa) corroyage altern´ee (MPa)

Essais sur barreau 80 mm 476 (20.5) 295 (12.1) 11.47 Essais sur ´eprouvettes 500 (9) 330 (22.5) 22.2 pr´elev´ees dans le triangle

3.4. ESSAIS DE FATIGUE 84

Un essai staircase sur le triangle de suspension a ´egalement ´et´e effectu´e sur 7 ´echantillons. Les conditions aux limites du banc d’essais sont donn´ees en figure 3.43. Le staircase est donn´e en annexe H. La limite d’endurance obtenue `a d’une charge altern´ee est de FD = 11083 N avec un ´ecart-type de 204 N .

Figure 3.43 : Conditions d’efforts au niveau du banc d’essais. La but´ee sert de support au triangle.

La zone de rupture est localis´ee au niveau des ailes de la partie sollicit´ee repr´esent´ee sur la figure 3.44. Toutes les fissures sont localis´ees au niveau de cette zone avec un ´ecart par rapport au centre de 95 mm.

3.5. CONCLUSION 85

3.5

Conclusion

Le cas d’application industriel que nous avons s´electionn´e est un bras de suspension forg´e compos´e d’un acier Metasco MC. La gamme de forgeage a ´et´e simul´ee num´eriquement afin d’acqu´erir les donn´ees relatives aux pi`eces forg´ees n´ecessaires dans notre approche, `

a savoir le fibrage et le corroyage. Parall`element, le mat´eriau Metasco MC a fait l’objet d’une analyse rh´eologique afin d’en d´eterminer son comportement `a chaud (temp´erature de forgeage) et `a froid. Nous avons ´egalement analys´e sa microstructure. Les r´esultats montrent que la matrice est compos´ee de bainite sup´erieure et d’une proportion impor- tante d’inclusions M nS rassembl´ees en chapelets. Apr`es forgeage, la structure granulaire semble ´equiaxe sans direction privil´egi´ee d’orientation. Par contre, les inclusions M nS sont fortement anisotropes dans la direction du fibrage. Les essais de traction et de torsion monotones ont montr´e que le comportement du mat´eriau ´etait ductile avec endommage- ment pour les ´eprouvettes pr´elev´ees dans le sens du fibrage. Par contre, plus l’angle du fibrage augmente par rapport `a l’axe de sollicitation et moins le comportement paraˆıt ˆ

etre ductile. Les faci`es ont montr´e que les zones de rupture ´etaient parsem´ees d’inclusions M nS regroup´ees en chapelets. Les essais de fatigue montrent un comportement similaire entre eux pour les essais de traction - compression altern´ee. En torsion altern´ee, la tenue `a la fatigue semble gouvern´ee par la matrice bainitique. Les inclusions M nS ne joueraient qu’un rˆole mineur. Les limites d’endurance obtenues en torsion altern´ee montrent que l’anisotropie est tr`es faible. Enfin, les essais sur la pi`ece r´eelle nous ont permis d’obtenir des valeurs en fatigue comparatives afin de jauger l’effet du forgeage. Cependant, seules les ´eprouvettes ayant un fibrage `a 0◦ ont pu ˆetre usin´ees `a cause de la g´eom´etrie du tri- angle. Les valeurs plus importantes obtenues sur l’´eprouvette pr´elev´ee dans le triangle de suspension confirment l’augmentation de la limite d’endurance avec l’augmentation du taux de corroyage. Cependant, il est important de remarquer que le corroyage initial du barreau de 80 mm est d´ej`a assez ´elev´e. L’impact du corroyage sur la limite d’endurance aurait sans doute ´et´e plus marqu´e avec un lopin initial comportant un corroyage plus faible. Les valeurs obtenues permettront de calibrer les calculs multi-´echelles que nous mod´eliserons par la suite.

Chapitre 4

Analyse quantitative de la

microstructure du Metasco MC

Dans ce chapitre, nous nous proposons de d´ecrire les protocoles exp´erimentaux mis au point au cours de l’´etude afin d’obtenir les caract´eristiques microstructurales (inclusions et grains) de notre mat´eriau d’´etude (Metasco MC). Les param`etres g´eom´etriques des in- clusions (essentiellement les inclusions de sulfure de mangan`ese) et des chapelets ont ´et´e d´etermin´es `a partir d’analyses d’images prises `a l’aide d’un microscope ´electronique `a bal- ayage. La structure granulaire, quant `a elle, a ´et´e ´etudi´ee par analyse E.B.S.D. et analyse d’images. Dans l’optique de g´en´erer une microstructure num´erique r´ealiste et d’associer des donn´ees m´ecaniques appropri´ees, des essais de nanoindentation et microindentation ont ´egalement ´et´e r´ealis´es.

4.1

Description du triangle de suspension

Par souci de clart´e, nous allons associer une num´erotation pour chaque ´echantillon. Le triangle de suspension a ´et´e tron¸conn´e en 3 parties distinctes que nous avons rep´er´ees par rapport `a la morphologie du triangle (figure 4.1). La partie gauche A est le bras sollicit´e en service qui, g´en´eralement, c`ede en fatigue. La partie centrale B est le coude central du triangle et enfin, la partie C `a droite est le bras fixe (car il est encastr´e en service). Nous allons d´efinir `a pr´esent les coupes que nous avons r´ealis´ees. Les notations que nous avons utilis´ees sont bas´ees sur les normes standards d´ecrites dans [6] et reprises par [75] et [18]. Une coupe dans le sens du fibrage sera not´ee LT (figure 4.2), une coupe perpendiculaire au fibrage sera not´ee TS et une coupe transverse de normale dirig´ee dans le sens du fibrage sera not´ee SL. Nous avons r´ealis´e 15 coupes LT tout le long du trian- gle de suspension et 15 coupes TS (figure 4.3), r´ealis´ees transversalement mais seuls 3 ´

echantillons TS (´echantillon n◦ 3 pour les 3 parties du triangle) ont ´et´e analys´es pour la morphologie microstructurale (figure 4.3). Les autres ´echantillons TS nous ont ´et´e utiles afin de calculer les ´epaisseurs et les aires transversales.

Cette classification nous permettra de relier certaines caract´eristiques morphologiques des grains et des inclusions par rapport aux donn´ees relatives au proc´ed´e de mise en forme. Nous nous int´eresserons notamment au corroyage qu’a subi le bras de suspension depuis la coul´ee. Pour cette raison, nous avons calcul´e les aires et les ´epaisseurs des sections transverses de chaque ´echantillon, list´ees dans le tableau J.1 de l’annexe J. Le

4.1. DESCRIPTION DU TRIANGLE DE SUSPENSION 87

Figure 4.1 :D´ecoupage du triangle de suspension dans le sens du fibrage

Figure 4.2 : Direction de pr´el`evement L (”longitudinal ou rolling direction”); T (”transverse direction) ou S (”short transverse direction”)

taux de corroyage, d´efini par le rapport de la section initiale sur la section finale, a ´et´e calcul´e en prenant comme r´ef´erence le taux de corroyage subi par le barreau de 68 mm avant forgeage. Pour une section de 3631.7 mm2_{, le barreau de 68 mm a subi un taux de}

corroyage de 15.87. Le barreau de 80 mm de section 5026.6 mm2_{, a subi quant `a lui un}

corroyage de 11.47. Le rapport est proportionnel. A noter que la section du triangle n’est pas du tout circulaire et le rapport largeur sur ´epaisseur (rapport de circularit´e) peut ˆ

etre tr`es grand, surtout au niveau du bras sollicit´e. Toutes ces donn´ees ont ´et´e d´eduites d’analyses d’images scann´ees puis analys´ees sur un logiciel de traitement d’image. Nous pouvons remarquer que les sections au niveau du bras fixe sont beaucoup plus disparates que dans les autres parties du coude. Au niveau du bras sollicit´e, les ´epaisseurs diminuent au fur et `a mesure que nous nous ´eloignons du centre du triangle. Pour le coude (zone B),