Modélisation de la tenue en fatigue à haute température d'aciers moulés austénitiques : Application au dimensionnement des turbocompresseurs

par Zeineb Meskine

Projet de thèse en Mécanique des matériaux

Sous la direction de Fabien Szmytka et de Vincent Maurel.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux, géosciences , en partenariat avec IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles (laboratoire) et de École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-04-2019 .


  • Résumé

    Les turbocompresseurs, composants annexes des moteurs à combustion interne, sont couramment fabriqués en acier inoxydable austénitique fortement allié en nickel. L'une des nuances les plus répandues actuellement est dénommée 1.4837. Dans le cadre de la politique « downsizing » et pour répondre aux évolutions des réglementations européennes visant la limitation des émissions polluantes des véhicules, ces pièces sont soumises à des chargements de plus en plus sévères induits par l'augmentation des températures de combustion et ayant une influence sur leur comportement mécanique et leur résistance à la fatigue oligocyclique. Le formalisme des critères de fatigue a très peu évolué depuis le début des années 2000 et montre aujourd'hui ses limites pour des chargements anisothermes. Les analyses de tenue en fatigue ne sont pas cohérentes aux essais avec des dispersions importantes qui apparaissent à des températures supérieures à 900°C, où l'oxydation et le fluage peuvent entrer en compte dans les mécanismes d'endommagement. La première partie de ce travail s'intéresse à la compréhension de la problématique industrielle et des thématiques scientifiques associées en s'appuyant sur la littérature afin d'évaluer les différents types de critères de fatigue existants dont la majorité s'appuient sur l'amorçage de fissures. Des essais de fissuration de type SENT sous chargements isothermes et anisothermes seront ensuite menés pour une plage de température d'essais de l'ambiante à 950°C, afin d'étudier et analyser les vitesses de propagation de fissure en fonction de la température, de l'amplitude et la fréquence du chargement. Une première approche pour optimiser le dimensionnement en fatigue est l'intégration d'une loi de micro-propagation permettant de juger la criticité de la fissure. Une description fine sera portée sur les effets de fermeture de fissure macroscopique et locale avec la viscoplasticité cyclique et la température. Dans la troisième partie de ce travail, un modèle d'endommagement sera ensuite proposé permettront d'aboutir à un dimensionnement en fatigue thermomécanique robuste et fiable de l'endommagement tout en tenant compte des effets d'oxydation sur la cinétique d'endommagement. Ce modèle comprendra à la fois les éléments nécessaires à la définition d'un amorçage de fissure pour la préconception des turbos mais aussi ceux indispensables pour décrire l'éventuelle propagation de fissures existantes en condition de viscoplasticité généralisée.

  • Titre traduit

    High temperature fatigue behavior of austenitic cast steel modeling: Application to turbochargers fatigue design


  • Résumé

    Turbochargers, which are components of internal combustion engines, are commonly manufactured from high-alloyed nickel austenitic stainless steel. One of the most common alloys currently in use is called 1.4837. As part of the 'downsizing' policy and in response to changes in European regulations aimed at limiting vehicle polluting emissions, these parts are subjected to severe loads induced by the increase in combustion temperatures having a strong influence on their mechanical behaviour and resistance to low cycle fatigue. The formalism of fatigue criteria has experienced very little changes since the early 2000s and now shows its limits for anisothermal loading. Fatigue performance analyses are indeed not consistent with tests with large dispersions occurring at temperatures above 900°C, where oxidation and creep should be considered in the damage mechanisms. The first part of this work focuses on understanding industrial issues and related scientific themes by using the literature to evaluate the different types of existing fatigue criteria, the majority of which are based on crack initiation. SENT cracking tests under isothermal and anisothermal loads will then be conducted for a test temperature range from ambient to 950°C, in order to study and analyze crack propagation rates as a function of temperature, amplitude and loading frequency. A first approach to optimize fatigue design is the integration of a micro-propagation law to judge the criticality of the crack. A detailed description of the effects of macroscopic and local crack closure with cyclic viscoplasticity and temperature will be given. In the third part of this work, a damage model will then be proposed to provide a robust and reliable thermomechanical fatigue design while considering the oxidation effects on the damage rate. This model will include both the elements necessary to define a crack initiation for turbo pre-design and those essential to describe the possible propagation of existing cracks in generalized viscoplasticity conditions.