Low cycle fatigue of the Fe-3Si steel : damage mechanisms and strain localisation by EBSD

par Claire Schayes

Thèse de doctorat en Mécanique, Énergétique et Sciences des matériaux

Sous la direction de Jean-Bernard Vogt et de Jérémie Bouquerel.

  • Titre traduit

    Fatigue oligocyclique de l'acier Fe-3Si : mécanismes d'endommagement et localisation de la déformation par EBSD


  • Résumé

    L’objectif de ce travail de thèse était d’étudier le comportement en fatigue oligocyclique de l’acier Fe-3Si utilisé pour les rotors des nouveaux alterno-démarreurs développés par Valeo. L’étude pris en compte la relation entre la réponse mécanique et la microstructure, les mécanismes de fatigue, l’évaluation de la déformation à une échelle mésoscopique et une optimisation du dimensionnement du rotor. Les essais de fatigue, menés sur des éprouvettes d’épaisseur 350μm, ont montré un durcissement cyclique du matériau et le mode de propagation de la fissure, fragile, souligne sa faible ténacité. La formation de structure de dislocations observées par Microscopie Electronique en Transmission (TEM) et par cECCI (Controlled Electron Channelling Contrast Imaging) est dépendante de la déformation et la variation de déformation totale Δεt=0.7% apparaît comme une valeur de transition. En-dessous de Δεt =0.7%, des arrangements homogènes de dislocations et un amorçage de la fissure transgranulaire sont observés. Au-dessus de Δεt =0.7%, des structures veines-canaux et murs-canaux sont observés et l'amorçage de fissure est intergranulaire. Une étude EBSD (Electron Back-Scattered Diffraction) basée sur les paramètres KAM, GROD et GOS menée sur les éprouvettes fatiguées montre un gradient de déformation dans les grains et une localisation de la déformation aux joints de grain au-dessus de Δεt =0.7%. Enfin, en prenant en compte les propriétés en fatigue de l’acier Fe-3Si dans la base de données matériaux de la modélisation par éléments finis, des légères modifications de la géométrie du rotor ont été effectuées ce qui améliore les performances électromagnétiques de la machine.


  • Résumé

    The objective of the PhD work was to investigate the low cycle fatigue (LCF) behaviour of Fe-3Si steel employed for rotors of new starter-alternators developed by Valeo. The study took into account the relation between mechanical response and microstructure, the fatigue mechanisms, the assessment of strain at a mesoscopic scale and an optimisation of the rotor design. Low cycle fatigue tests performed on 350μm thick specimen pointed out a cyclic hardening of the material. The brittle crack propagation mode underlined the low toughness of the material. The formation of dislocations structures observed by Transmission Electron Microscopy (TEM) and controlled Electron Channelling Contrast Imaging (cECCI) was strain dependant. The total strain variation Δεt =0.7% appeared as a transition value. Below Δεt =0.7%, homogeneous arrangement of dislocations and transgranular crack initiation are observed. Above Δεt =0.7%, a mixture of veins-channels and wall-channels were observed inside the grains and cracking became intergranular. An Electron Back-Scattered Diffraction (EBSD) study was then performed on the specimen fatigued above Δεt=0.7% and approached with KAM, GROD and GOS parameters. It pointed out the strain gradient within grain and highlighted the strain localisation at grain boundaries. Finally, by taking into account LCF properties of the Fe-3Si steel in the material database of the finite element modelling, slight modifications of the rotor geometry have been performed which improves the electromagnetic performances of the machine.


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