Chapitre II: Endommagement de la sous-couche
II.. 3.4.2.2 Identification des paramètres
II.5. Fatigue oligocyclique à 200°C
II.5.1. Principe des essais
II.5.1.1. Méthode expérimentale
Les essais ssont réalisés sur les éprouvettes multisection Ø6 revêtues soit par la protection C1A, soit par la protection CN22.
Le dispositif expérimental est identique à celui qui a été décrit au paragraphe II.2, pour l’examen de la transition ductile-fragile.
L’éprouvette subit une sollicitation cyclique à la fréquence de 0,05Hz. Le cycle mécanique est régulé sur la charge pour la protection C1A et sur la déformation pour la protection CN22. La consigne est composée de deux rampes entre la valeur minimale de la charge σmax ou de la déformation εmin et la valeur maximale σmax ou εmax (cycle triangle).
Le rapport de charge Rσ ou de déformation Rε des essais est fixé à 0,1. L’essai est donc réalisé en traction et déformation positive uniquement.
La contrainte maximale σmax ou la déformation maximale εmax, qui sont relatives à la
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valeur critique σc ou εc de la protection en traction monotone. Une consigne εmax atteignant εc
provoquerait la rupture de la protection au premier cycle.
Le paramètre choisi pour réguler la consigne de l’essai à été changé entre les essais sur C1A, pilotés sur la charge et les essais sur CN22, pilotés sur la déformation. Après avoir effectué la campagne d’essais sur C1A, il a paru plus judicieux de piloter l’essai en déformation afin de ne pas avoir besoin de repasser par le modèle de comportement pour calculer la déformation à partir de la charge. La donnée de la déformation nous est utile puisque les essais de traction monotone ont été conduits en contrôle de déformation et c’est donc sur la déformation que l’on possède un critère purement expérimental. Le critère faisant intervenir la charge résulte de l’utilisation du modèle de comportement.
Une éprouvette suffit à explorer une gamme de consignes en déformation assez large allant de εmax à 0,956εmax. Des séquences d’essai sont conduites à un niveau de charge ou de
déformation fixé. Entre chaque séquence, l’observation de la surface en microscopie électronique à balayage permet d’identifier les sections fissurées ou non fissurées.
Les données bibliographiques sur la fissuration en fatigue de protection d’aluminiures sont quasiment inexistantes si bien que le nombre de cycles à effectuer lors de chaque séquence doit être choisi arbitrairement. Après un essai sur une première éprouvette, il est souvent nécessaire d’en utiliser une seconde pour affiner les intervalles d’erreur.
Le tableau II.4 présente les conditions expérimentales. La consigne en charge n’a pas été maintenue constante pendant toute les séquences réalisées sur la protection C1A.
Il sera donc nécessaire de réaliser un cumul tenant compte de toute l’historique de l’éprouvette.
II.5.1.2. Méthode de dépouillement
Deux interprétations sont possibles pour un tel essai: soit une durée de vie (nombre de cycles) est fixée et on cherche un encadrement de la déformation qui provoque la rupture pour cette durée de vie; soit la déformation est fixée et on cherche un encadrement de la durée de vie de la protection sous ce niveau de chargement.
La seconde méthode a été choisie lorsque le modèle qui sera présenté au paragraphe II.6 a été développé car elle permet une identification plus facile de ses paramètres.
Chaque séquence fournit le nombre de cycles appliqués à l’éprouvette à un niveau de déformation donné. A l’observation, tant qu’une section n’est pas fissurée, sa durée de vie n’est pas atteinte. Lorsqu’une section vient de fissurer pendant la dernière séquence réalisée, la durée de vie de la protection est comprise entre le nombre de cycles précédent et le nombre de cycles actuel.
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Toutefois cette interprétation n’est immédiate que dans le cas où toutes les séquences sont réalisées au même niveau de chargement, ce qui permet de tracer un diagramme de type Wöhler.
II.5.2. Résultats
Le tableau II.4 résume les conditions expérimentales et les résultats des observations micrographiques. Nature de la protection ∆σ ou ∆ε sur la section centrale nombre de cycles réalisés dans la séquence σmaxou εmax de la
plus petite section non fissurée
σmaxou εmaxde la
plus grande section fissurée
C1A 890,9 MPa 20 890,9 MPa /
C1A 943,1 MPa 30 943,1 MPa /
C1A 1029,1 MPa 10 928 MPa 1029,1 MPa
C1A 1029,1 MPa 50 872 MPa 928 MPa
C1A 1029,1 MPa 190 770,3 MPa 872,2 MPa
C1A 958,5 MPa 10 1090,56 MPa /
C1A 981,5 MPa 20 1121,28 MPa /
C1A 1058,3 MPa 6 1038,8 MPa 1152 MPa
CN22 0,405 % 12 0,45 % /
CN22 0,405 % 20 0,43 % 0,45 %
CN22 0,405 % 1100 0,39 % 0,43 %
CN22 0,405 % 5000 0,26 % 0,33 %
CN22 0,405 % 2830 rupture de l’éprouv ette
CN22 0,513 % 10 0,49 % 0,54 %
CN22 0,513 % 140 0,34 % 0,42 %
CN22 0,522 % 5 0,49 % 0,55 %
CN22 0,522 % 15 0,42 % 0,5 %
CN22 0,522 % 80 0,34 % 0,38 %
Tableau II.4: essais de fatigue oligocyclique à 200°C sur éprouvettes multisection revêtues par C1A ou CN22.
Les séquences d’essai réalisées sur la protection CN22 ont toutes été conduites au même niveau de déformation pour une même éprouvette. La figure II.40 présente le diagramme donnant l’amplitude de déformation mécanique en fonction de la durée de vie de
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la protection. Des lois simples de type Basquin ne peuvent pas être appliquées directement aux résultats macroscopiques. Le mécanisme de fissuration doit être étudié plus avant afin de proposer un modèle faisant intervenir des paramètres à l’échelle microscopique.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1 10 100 1000 10000 100000
Durée de vie (cycles)
Nombre de cycles avant fissuration Nombre de cycles après fissuration
Figure II.40: encadrement de la durée de vie de la protection CN22 en fatigue oligocyclique à 200°C.
II.5.3 Mécanisme de rupture de la protection
Le premier essai de fatigue oligocyclique sur la protection CN22 a été conduit jusqu’à la rupture de l’éprouvette. Celle-ci s’est produite après 8962 cycles de fatigue.
La figure II.41 montre le faciès de rupture de cette éprouvette. La photographie de gauche montre une zone plane en forme de croissant de lune qui intercepte environ 2/3 du périmètre de l’éprouvette. Le reste du faciès est très accidenté et présente une rupture cristallographique due à l’instabilité finale.
La photographie de droite est un agrandissement d’une zone du croissant de lune. La protection est visible à le surface de l’éprouvette. La zone plane est parcourue par des rivières de clivage et se raccorde aux plans de rupture fortement inclinés. Ce faciès suggère un amorçage de l’endommagement résultant de la fissuration de la protection et une propagation en fatigue dans le substrat qui donne lieu à la zone plane. La rupture finale intervient lorsque la section de l’éprouvette est réduite au point d’atteindre la contrainte critique de clivage du substrat par l’activation d’un système de glissement principal.
Pour comprendre ce mécanisme d’amorçage, la protection doit être examinée à plus petite échelle. Les figures II.42 et II.43 montrent respectivement une zone où la rupture de la protection est transgranulaire et une zone intergranulaire.
La proportion entre ces deux types de fissuration a été mesurée à 68% de rupture transgranulaire.
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Le faciès de rupture dans la zone transgranulaire de la figure II.42 n’est pas parfaitement plane. Les plans qui clivent dans la couche externe de grains de la protection ne semblent pas tout à fait perpendiculaires à l’axe de sollicitation, ce qui explique la présence des marches raccordant les plans qui clivent les uns aux autres.
La figure II.44 montre un troisième type de faciès de fissuration. Dans des zones où la rupture est transgranulaire, des grains isolés ou assemblés au maximum par groupes de trois, ont un plan de rupture parfaitement perpendiculaire à l’axe de sollicitation. Il semble que toute la surface du grain soit clivée selon le même plan puisque le faciès est plan, sans aucune marche. Ces zones sont peu nombreuses et représentent moins d’un cinquantième de la longueur totale affectée par le clivage.
Les grains clivés perpendiculairement à l’axe de sollicitation sont peut être des grains orientés de manière idéale et pourraient constituer des sites d’amorçage.
Dans la suite, l’amorçage sera décrit par le clivage d’un grain bien orienté parmi toutes les orientations possibles. Ce clivage initial constitue un défaut initial qui se propage de manière quasi-instantanée puisque les fissures de fatigue n’ont jamais pu être observées pour des tailles intermédiaires. Un report de charges des zones fissurées sur les plus proches voisins pourrait déclencher une réaction en chaîne qui conduirait à une rupture très rapide, en quelques cycles.
1 mm 200 µµµµm
Figure II.41: faciès de rupture d’une éprouvette multisection Ø6 revêtue par la protection CN22, sollicitée en fatigue oligocyclique à 200°C; ∆ε=0,405%; 8962 cycles.
10 µµµµm 10 µµµµm
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marches. Faciès le plus fréquent. Faciès minoritaire.
10 µµµµm
Figure II.44: zone de rupture transgranulaire sans marches présentant deux sites planes d’amorçage possible.