Observations des faciès de rupture en traction-compression

Tous les faciès des éprouvettes rompues lors du staircase ont été observés au MEB et à la loupe binoculaire afin de définir les origines de la rupture.

3.3.1 Prélèvement à 0°

b)

Zone d’amorçage

Fig. 69- Faciès de rupture macroscopique, fibrage à 0° images réalisées à la loupe binoculaire A partir des observations à l‘échelle macroscopique (Fig. 69) deux zones peuvent être clairement identifiées. La première est plane et perpendiculaire à la contrainte appliquée : il s‘agit du lieu de l‘amorçage. La seconde zone est orientée à 45° par apport à la contrainte appliquée : il s‘agit du lieu de la zone de propagation finale. L‘amorçage est localisé au sein de la matrice et aucune inclusion n‘apparait dans la zone d‘amorçage Fig. 70. Malgré tout, quelques inclusions sont visibles sur l‘ensemble du faciès de rupture. La majorité d‘entre elles, sont des sulfures de manganèse et parfois des microfissures apparaissent à leur voisinage (Fig. 71).

b)

200µm 10µm

-82-

20µm 10µm

a) b)

Fig. 71- Inclusions révélées sur le faciès de rupture, fibrage à 0° a) Inclusion de type MnS, b) Inclusion de type Al₂O₃

3.3.2 Prélèvement à 45°

b)

Zone d’amorçage Zone d’amorçage Zone d’amorçage

Fig. 72- Faciès de rupture macroscopique, fibrage à 45°, images réalisées à la loupe binoculaire A partir des observations à l‘échelle macroscopique (Fig. 72), 3 zones peuvent être clairement identifiées. La première est plane et perpendiculaire à la contrainte appliquée : c‘est la zone d‘amorçage. La seconde zone est orientée à 45° de la contrainte appliquée. Sur cette zone une structure type « bois pourri » apparaît, les reliefs sont générés par la présence de bandes d‘inclusions de MnS. La dernière zone est orientée à 90° par rapport à la contrainte appliquée et est de type transgranulaire.

Les faciès de rupture pour un rapport de charge égal à -1 et un fibrage orienté à 45° ont tous été matés. Afin de quand même définir l‘origine de la rupture, une éprouvette a été sollicitée dans son domaine d‘endurance avec un rapport de charge de 0,1. Pour ce rapport de charge l‘amorçage est localisé en surface à partir d‘un amas d‘inclusions (Fig. 73). Notons que l‘amorçage est localisé sur la surface de l‘éprouvette dans une zone où les inclusions sont perpendiculaires à la surface libre. En traction-compression, les inclusions semblent donc être plus nocives lorsqu‘elles débouchent perpendiculairement à la surface libre. A l‘inverse elles sont moins nocives lorsqu‘elles sont parallèles à la surface libre. Ces conclusions sont en accord avec les hypothèses posées pour le choix de la position du méplat. Le méplat est donc bien situé dans la zone utile de l‘éprouvette sur la face où les inclusions sont les plus nocives.

-83-

1mm 10µm

10µm

a) _b)

c)

Fig. 73- a) Faciès de rupture pour une orientation du fibrage à 45°, b-c) Zone d‘amorçage avec amas d‘inclusions

3.3.3 Prélèvement à 90°

b)

Zone d’amorçage

Fig. 74- Faciès de rupture macroscopique, fibrage à 90°, images réalisées à la loupe binoculaire Pour une orientation de fibrage à 90°, le faciès à l‘échelle macroscopique apparaît plan et est orienté à 90° par rapport à la contrainte appliquée (Fig. 74). Deux zones sur le faciès peuvent être différenciées. La première, lieu de l‘amorçage, est de type « bois pourri » (Fig. 75 a),c),d)), la seconde zone est de type transgranulaire (Fig. 75 b)).

-84-

1mm 20µm

100µm 10µm

a) _b)

c) d)

Fig. 75- Faciès de rupture pour une orientation du fibrage à 90°,a) vue d‘ensemble, b) zone de propagation transgranulaire c-d) zone d‘amorçage de type bois pourri

Trois éprouvettes (sur les 15 observées) possèdent un amorçage localisé au niveau d‘une ligne d‘inclusions de type Al₂O₃ traversant toute l‘éprouvette (Fig. 76 b)). Pour 2 éprouvettes, la rupture est apparue à parti d‘un amas d‘inclusions de MnS (Fig. 76 a)). Pour les 10 éprouvettes restantes la zone d‘amorçage n‘est pas clairement marquée et les fissures semblent naître à partir d‘une multitude de sites constitués de bandes d‘inclusions de MnS (faciès de type bois pourri, Fig. 77).

1mm ^10µm

a) b)

Fig. 76- Faciès de rupture pour une orientation du fibrage à 90°, a) amorçage à partir d‘un amas d‘inclusions de type MnS, b) amorçage à partir d‘une ligne d‘inclusions de type Al₂O₃

-85-

10µm 20µm

a) _b)

2

1

Fig. 77- Faciès de rupture en traction-compression pour une orientation de fibrage à 90° a) Propagation le long de la bande d‘inclusions de MnS , b) Propagation perpendiculaire à

l‘orientation de la bande d‘inclusions de MnS

L‘observation détaillée des faciès avec un amorçage à partir des bandes d‘inclusions de sulfure de manganèse permet de présumer d‘un scénario explicitant l‘apparition de la rupture. Dans un premier temps il semblerait que les inclusions soient reliées entre elles par des microfissures dont la taille ne fait que quelques µm (Fig. 77 a)). Cette première étape implique que les inclusions deviennent comparables à un défaut de la taille de la bande d‘inclusions. Cette bande étant d‘une très grande longueur (plusieurs centaines de µm) la fissure se propage comme une fissure traversante dans une direction perpendiculaire à l‘orientation du défaut (Fig. 77 b)). Le faciès de rupture présenté sur la Fig. 76 b), pour lequel l‘amorçage est localisé sur une bande d‘inclusions d‘alumine, met en évidence ce même type de comportement piloté par une fissure traversante.

3.4. Conclusion

La tenue en fatigue pour un chargement de traction-compression est anisotrope et chute continûment pour des orientations de fibrage allant de 0° à 90°. Cette chute de la limite d‘endurance s‘accompagne d‘une diminution de l‘écart type associé.

Concernant les mécanismes mis en évidence, à partir des observations en surface et de l‘analyse des faciès de rupture nous pouvons conclure que :

Pour un fibrage orienté à 0°:

 l‘analyse des faciès de rupture a montré que l‘amorçage a lieu au niveau de la matrice bainitique (aucune inclusion n‘a été observée sur les faciès de rupture au niveau de la zone d‘amorçage),

 les fissures observées en surface s‘amorcent à partir de zones dépourvues d‘inclusion et sont orientées en moyenne selon un plan orienté à 69° par rapport à la contrainte appliquée.

-86- Pour un fibrage orienté à 45°:

 l‘analyse des faciès de rupture pour un rapport de charge égal à 0,1 a montré que l‘amorçage a lieu à partir d‘amas d‘inclusions,

 en surface la plupart des fissures observées s‘amorcent dans des zones dépourvues d‘inclusion.

Pour un fibrage orienté à 90°:

 l‘analyse des faciès de rupture a montré que l‘amorçage a lieu au niveau de bandes d‘inclusions,

 les fissures observées en surface sont de deux types. Les premières s‘amorcent à partir de la matrice et sont orientées à 60° par rapport à la contrainte appliquée. Les secondes s‘amorcent à partir d‘amas d‘inclusions et sont orientées à 90° par rapport à la contrainte appliquée.

Pour les trois orientations de fibrage, l‘endommagement observé en surface est très localisé et il n‘a pas été observé d‘interaction entre fissures.

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