Etude de l'effet de surcharges sur la tenue en fatigue à grande durée de vie d'un acier ferrito-bainitique sous chargement d'amplitude variable

Overload influence on a ferritic-bainitic steel high-cycle-fatigue strength under variable amplitude loading

• Auteur / Autrice : Hadrien Bidouard
• Direction : Thierry Palin-Luc, Nicolas Saintier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier -- Électrométallurgie

Matériaux -- Fatigue

Résumé

Les pièces de châssis automobile sont dimensionnées pour résister à l'amorçage des fissures de fatigue sous les chargements d'amplitude variable qu'elles supportent en service. Des surcharges incidentelles appartenant au domaine de la fatigue oligocyclique, peuvent toutefois arriver dans la vie d'une automobile (nid de poule, montée d'un trottoir à vive allure). L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence de telles surcharges sur la résistance à l'amorçage de fissures de fatigue dans le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles (de 100. 000 à 10. 000. 000 de cycles). L'objectif industriel à moyen terme est le développement d'une méthode de dimensionnement en fatigue permettant une prise en compte réaliste de ces surcharges. Face à la faible quantité de travaux expérimentaux trouvés sur les interactions fatigue oligocyclique/fatigue à grand nombre de cycles '', une base de données a été constituée grâce à une campagne d'essais réalisée sous différents cas de chargements réalistes d'amplitude constante et variable, avec et sans surcharges, sur des éprouvettes entaillées (Kt=2,5). La géométrie d'entaille définie ainsi que le matériau utilisé (acier ferrito-bainitique) sont représentatifs de ceux rencontrés sur les bras de suspensions automobiles permettant ainsi d'assurer une transférabilité vers les structures industrielles. Cette campagne d'essais a permis de mettre en évidence un effet néfaste des surcharges sur la résistance à l'amorçage d'une fissure pour certains cas de chargements. Une très forte sensibilité au rapport de charge utilisé a pu être mise en évidence. Les durées de vie observées correspondant majoritairement à une phase d'amorçage, celle-ci a été étudiée au travers de l'analyse du comportement cyclique du matériau, grâce à des essais à contraintes et déformations imposées sur éprouvettes lisses et entaillées. Ces essais ont permis de mettre en évidence l'apparition d'un effet de Rochet sur éprouvettes entaillées au bout d'un certain nombre de cycles conditionnant l'amorçage d'une fissure. L'effet néfaste des surcharges sur la tenue en fatigue peut s'expliquer par l'interaction surcharge/effet de Rochet : il a été montré que l'application de surcharges entraîne une diminution du nombre de cycles nécessaire au déclenchement du Rochet. Cette accélération fait suite à la propagation des bandes de Piobert-Lüders liée à l'application des surcharges augmentant localement la densité de dislocations, phénomène favorable à l'apparition du Rochet.

Automotive frame components are designed against fatigue crack nucleation under variable amplitude service loadings. These so-called service loadings correspond to the High-Cycle-Fatigue (HCF) domain, however overloads corresponding to the Low-Cycle-Fatigue (LCF) domain may occur in the car life (pavement climbing at high speed). The investigation of the effects of overloads on the HCF strength (from 105 to 107 cycles) is the goal of this study. From an industrial point of view, the final objective is to develop new fatigue design method able to take into account the LCF/HCF interaction. A database has been established thanks to fatigue tests carried out on notched specimens made of a ferritic-bainitic steel under variable and constant amplitude loadings with and without overloads. The specimen geometry (Kt=2,5) as well as the steel are representative of automotive structures like suspension arms. These tests revealed an armful effect of the overloads on the HCF fatigue strength, especially for the fully reversed tension loading (Rσ=-1). Fatigue lifes mainly observed, correspond to short crack nucleation, so this one has been investigated through the cyclic behaviour analysis of the material, thanks to cyclic strain and stress-controlled tests on smooth and notched specimens. These tests show a ratcheting effect whatever the loading level, at the nocth root of the specimen after a certain number of cycles. This effect rapidly leads to the fatigue crack nucleation. The significant overload effect on the HCF strength is due to the overload/ratcheting interaction. Indeed, overloads highly decrease the number of cycles necessary for the ratcheting effect starting. This decrease is due to the Piobert-Lüders band propagation setted on by the overload application which considerably increases the dislocation density, favourable to the ratcheting start up.