Étude de l'endommagement par fatigue thermique des moules de fonderie sous pression d'aluminium : effet de l'interaction avec l'aluminisation et l'oxydation

par Mehdi Salem

Thèse de doctorat en Génie mécanique. Génie des matériaux

Sous la direction de Farhad Rezaï-Aria, Pascal Lamesle et de Gilles Dour.

Soutenue en 2009

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Dans les conditions industrielles comme dans les essais de laboratoire, l'endommagement des aciers à outils de mise en forme à chaud, en particulier en fonderie sous pression d'aluminium, se fait par un couplage complexe entre Fatigue Thermique (FT) et mécanismes de dégradation sous l'effet de l'environnement. En effet, à partir de 500 °C sous air ambiant, une couche d'oxyde de fer duplex, constituée d'une partie interne riche en chrome et d'une partie externe pauvre en chrome, se forme sur la surface de l'acier. Par ailleurs, lors du contact avec l'alliage d'aluminium en fusion, l'interaction entre l'aluminium et le fer entraîne la croissance d'une couche intermétallique polyphasée. Nous avons développé une approche expérimentale consistant à découpler les sollicitations afin d'étudier les différents mécanismes d'endommagement de manière distincte ainsi que sous conditions complexes. Un essai de corrosion dans un bain fondu a permis d'étudier l'aluminisation entre l'alliage d'aluminium AlSi9Cu3 et l'acier à outil X38CrMoV5, en conditions statique et isotherme. L'évolution de l'épaisseur totale de la couche intermétallique, régie par la diffusion, est considérablement influencée par les phénomènes de dissolution notamment au-delà de 650 °C. D'autre part, un banc d'essai de FT par induction, travaillant sous différentes atmosphères et pressions partielles d'oxygène, a permis d'étudier les effets de l'oxydation. Des éprouvettes axisymétriques en forme de disque, vierges ou pré-aluminisées, ont été soumises à différents cycles thermiques (Tmin = 100 °C, Tmax de 550 à 650 °C à l'extrémité de l'éprouvette), avec une vitesse de chauffage constante (420 °C. S-1). À 550 °C, l'endommagement se fait par écaillage cyclique de la couche d'oxyde ; aucune macro-fissuration n'est observée jusqu'à 400 000 cycles. Au delà de cette température, lorsque la couche superficielle est compacte et adhérente, elle subit d'abord une micro-fissuration périodique et parallèle. À partir de ce réseau de " faïençage uni-axial ", plusieurs fissures macroscopiques se propagent successivement dans l'acier. En revanche, en l'absence de couche superficielle compacte, on n'obsreve pas de micro-fissuration préalable et les macro-fissures apparaissent simultanément lorsque la dureté de l'acier atteint un seuil d'adoucissement critique. La propagation des macro-fissures à l'échelle macroscopique se fait en mode I perpendiculairement à l'axe ortho-radial. Les macro-fissures atteignent des profondeurs différentes en fonction de leur nombre. Une analyse thermique et thermo-mécanique par éléments finis utilisant des lois de comportement " thermo-élasto-plastique " (EP) et " thermo-élasto-visco-plastique " (EVP) a été réalisée. Elle a montré que le choix du modèle est sans conséquence si le critère de durée de vie est basé sur l'amplitude de contrainte. Par contre, le modèle EVP se révèle plus adapté lorsque d'autres paramètres sont considérés (comme la contrainte maximale pour l'estimation de l'amorçage), car il tient compte des effets liés au temps (vitesse de sollicitation et évolution microstructurale). Le concept de la mécanique linéaire de la rupture a été utilisé pour modéliser les cinétiques de fissuration. Le Facteur d'Intensité de Contrainte (FIC) a été calculé en utilisant la fonction de poids développée par Bueckner. L'ouverture résiduelle des fissures mesurée à froid a permis de valider le calcul de FIC.

  • Titre traduit

    Study of thermal fatigue aluminium die-casting dies damage : effect of interaction with aluminizing and oxydation


  • Résumé

    Hot work tool steels damage results of a combination of Thermal Fatigue (TF) and various environmental mechanisms, especially in the case of Aluminium Die Casting. This complex damage mechanism has been observed in real life conditions as well as in laboratory tests. Beyond 500 °C, a duplex oxide layer grows on the surface of H11-13 steels exposed to ambient air. The inner layer is rich in chromium whereas the outer layer is poor. Otherwise, during contact with molten aluminium alloy, the iron from the steel interacts with aluminium atoms and forms a multiphase intermetallic layer at their interface. An experimental approach based on the decoupling of loading was designed to study damage mechanisms individually and under complex conditions. In a first step, a immersion test is carried out to examine the interaction between X38CrMoV5 tool steel and a molten AlSi9Cu3 alloy under static and isothermal conditions. The growth of the intermetallic layer is governed by diffusion and is largely dependent on a dissolution phenomenon which accelerates beyond 650 °C. In the second step, a new induction thermal fatigue rig used in air and/or inert atmospheres with reduced PO2, has been set up to study the combined effects of thermal fatigue and oxidation. Disk shaped axi-symmetric test specimens made from pre-aluminised or virgin X38CrMoV5 steel were used. Thermal fatigue experiments are performed with different thermal cycle at the edge, where Tmin = 100 °C and Tmax = 550 to 650 °C with heating rates of 420 °C. S-1. At 550 °C, damage in the case of virgin steel is due to cyclic scaling of the oxide layer and no macro-cracking is observed until 400,000 cycles. Beyond 550 °C, when the superficial layer (oxide or intermetallic) is compact and has strong adhesion to the base metal, it first undergoes regular and parallel micro-cracking. From these "un-iaxial heat checking", several macroscopic cracks propagate in the steel. However, in the absence of a compact outer layer, macro-cracks appear simultaneously as soon as the steel reaches a critical cyclic softening. At macroscopic scale, the macro-cracks propagate in mode I perpendicularly to the ortho-radial axis. The depth of these macro-cracks depends on their number. A finite element thermo-mechanical analysis was performed. The material models used in this analyses were based on "thermo elastic-plastic" (EP) and "thermo-elasto-visco plastic" (EVP) behaviour. It is shown that the behaviour model selection is not significant if the stress life approach of prediction is used. However, the EVP model is found to be better adapted if other parameters (such as the maximum stress at crack initiation) is considered, because it takes into account time-related effects (e. G. Loading rate and microstructure evolution). The concept of linear fracture mechanics was used as the crack propagation criterion. The Stress Intensity Factor (SIF) was calculated using the weight function of Bueckner and was validated through measurement of residual crack opening distance at ambient temperature.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (246 p.)
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitre

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2009 TOU3 0321
  • Bibliothèque : Ecole des Mines d'Albi. Centre de documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : N140-SAL
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