Vers un critère de dommage en fatigue d'acier pour pipelines basé sur des changements microstructuraux

Towards a proposal of fatigue damage assessment of steel pipelines based on microstructural changes

• Auteur / Autrice : Geovana Pereira Drumond
• Direction : Francine Roudet, Ilson Paranhos Pasqualino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Universidade federal do Rio de Janeiro
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGCgE - Laboratoire de Génie Civil et géo-Environnement

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oléoducs

Rayons X -- Diffraction

Indentation des matériaux

Microstructure (physique)

Acier -- Fatigue

Mots clés libres

Microdéformations

Résumé

L’étude des modifications de la microdureté de la surface des matériaux au cours des différentes étapes de la fatigue peut permettre d’évaluer l’évolution de la résistance des matériaux aux déformations microplastiques et ainsi fournir des informations pertinentes sur les dommages cumulés causés par la fatigue à la surface. L’objectif de ce travail est de proposer une nouvelle méthode basée sur les changements microstructuraux pour prédire la durée de vie en fatigue des structures en acier soumises à des charges cycliques, avant la fissuration macroscopique. Des essais d’indentation instrumentée et des analyses par diffraction des rayons X ont été effectués sur des échantillons soumis à grand nombre de cycles (de l’anglais, High Cycle Fatigue -HCF), jusqu’à différentes fractions de sa durée de vie en fatigue. Il a été observé que les changements majeurs dans les valeurs de microdureté se produisaient à la surface du matériau, jusqu’à 2 μm de profondeur d’indentation, et à environ 20% de la durée de vie en fatigue des échantillons, ce qui était attendu, car les étapes de nucléation et de microfissuration des fissures sont des phénomènes de surface. Ici, la valeur de 20% de la durée de vie en fatigue a été déterminée comme la période critique pour les changements microstructuraux, et cette valeur a été utilisée dans un ajustement analytique d'une expression polynomiale afin de prédire le nombre de cycles em fatigue jusqu’à rupture (Nf) d'une structure en acier.

The study of changes in material surface microhardness during the different stages of the fatigue mechanisms can be used to estimate the evolution of the material resistance to microplastic deformations and, consequently, provide relevant information about the cumulated fatigue damage on the surface. The aim of this ongoing work is to propose a new methodology based on microstructural changes to predict fatigue life of steel structures submitted to cyclic loading, before macroscopic cracking. Instrumented indentation tests and X-Ray diffraction analysis were carried out in the samples previously submitted to high cycle fatigue (HCF) loads, up to different fatigue life fractions. It was observed that the major changes in the microhardness values occurred at the surface and subsurface of the material, up to 2 μm of indentation depth below the surface, and around 20% of the fatigue life of the steel samples, which was expected, since crack nucleation and microcracking stages result of surface phenomena. Here, the value of 20% of the fatigue life was determined as the critical period for microstructural changes, and this value was used in an analytical fit of a polynomial expression to predict the number of cycles to failure (Nf) of a steel structure.