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Chapitre II Présentation des résultats d'essais de la bibliographie 66 CHAPITRE

Chapitre II Présentation des résultats d'essais de la bibliographie 66 CHAPITRE II PRESENTATION DES RESULTATS D'ESSAIS DE LA BIBLIOGRAPHIE L'ensemble des résultats expérimentaux que nous utilisons dans ce travail de thèse provient de la bibliographie (thèses et articles). Ce chapitre présente les trois sources de résultats expérimentaux que nous avons jugés adaptés aux objectifs de validation que nous nous sommes fixés dans cette étude des lois d’endommagement en fatigue, et qui comportent les données nécessaires à leur exploitation. 1 – LES RESULTATS EXPERIMENTAUX DE KROUSE ET MOORE SUR L'ACIER MARAGING 300CVM ET L'ACIER SAE 4130 1.1 – Présentation des matériaux Deux aciers, SAE 4130 (doux ou dur suivant les traitements thermiques subis) et Maraging 300CVM, ont été étudiés par Krouse et Moore. Leurs résultats d'essais ont été publiés dans les références [10, 29, 31]. 1.1.1 – Composition chimique des deux aciers Le tableau 3 rassemble la composition chimique des deux aciers. Composition chimique Matériau C Si Mn S P Ni Co Mo Al Ti B Zn Ca Cr Fe SAE 4130 doux 0,3 0,28 0,5 0,04 0,04 0,2 0.95 97,69 SAE 4130 dur 0,3 0,28 0,5 0,04 0,04 0,2 0.95 97,69 Maraging 300CVM 0,03 0,1 0,1 0,01 0,01 18,5 9,0 4,8 0,1 0,6 0,003 0,02 0,05 66,67 Tableau 3 : Composition chimique des aciers SAE 4130 et Maraging 300CVM Chapitre II Présentation des résultats d'essais de la bibliographie 67 1.1.2 – Les éprouvettes Les éprouvettes en acier SAE 4130 ont été usinées après traitement thermique, celles en acier 300CVM ont d’abord été usinées, puis vieillies avant de subir les opérations de finition dans leur section utile. Les éprouvettes en acier SAE 4130 doux et dur ont subi une trempe puis un revenu à des températures et des durées distinctes. L’acier Maraging 300CVM a été maintenu en température à 900°C pendant 1 heure, puis refroidi à l’air. Toutes les éprouvettes de flexion rotative ont été polies successivement à l'aide d'abrasifs à grains fins (320, 400 et 500). La figure 15 précise la géométrie et les dimensions des éprouvettes. Figure 15 : Eprouvettes d’essais (d'après [10]) (A) : éprouvette pour les essais de flexion rotative de Krouse (B) : éprouvette pour les essais de flexion rotative de Moore (C) : éprouvette pour les essais de traction – compression Chapitre II Présentation des résultats d'essais de la bibliographie 68 1.1.3 – Caractéristiques mécaniques monotones Les caractéristiques mécaniques des deux aciers sont rassemblées dans le tableau 4. Matériau σe0,2 (MPa) Rm (MPa) Ru (MPa) E (MPa) Dureté (Rc) Réductions de surface (%) SAE 4130 doux 779 890 1689 220640 25-27 67.3 SAE 4130 dur 1337 1420 2028 199955 39-40 54.7 Maraging 300CVM 2034 2620 186165 52 50.7 Tableau 4 : Caractéristiques mécaniques monotones des aciers SAE 4130 et Maraging 300CVM 1.1.4 – Caractéristiques de fatigue Les courbes S-N en flexion rotative des deux aciers sont données par la figure 16(a). Figure 16 : Caractéristiques en fatigue des matériaux (d'après [10]) (a) Courbes S-N en flexion rotative pour les aciers SAE 4130 (doux et dur) et 300CVM (b) Courbe de Manson-Coffin (en traction) de l’acier 300CVM Chapitre II Présentation des résultats d'essais de la bibliographie 69 La courbe de Manson-Coffin pour l’acier Maraging 300CVM en traction-compression est donnée par la figure 16(b). Les limites d’endurance en contrainte ainsi que les coefficients de la loi d'endommagement de Lemaitre et Chaboche sont rassemblés dans le tableau 5. Limite d’endurance σD0 (MPa) Coefficients de la loi de Lemaitre et Chaboche Matériaux Krouse Moore ND (cycles) β B0 M γ C * D σ (MPa) * D N (cycles) SAE 4130 doux 482,5 6,16.105 5,5 1590 2537 9,6 318,1021 1792,7 2 SAE 4130 dur 586 1,86.106 5 2460 3551 9,2 105,1022 2854,5 1 Maraging 300CVM 689 881 106 4 5820 8963 6,7 35,1018 4068 10 Tableau 5 : Caractéristiques en fatigue et coefficients de la loi de Lemaitre & Chaboche 1.2 – Résultats expérimentaux Les essais de flexion rotative et de traction-compression de Krouse et Moore sont réalisés sous des chargements à deux niveaux de contrainte : un premier niveau de chargement est appliqué pendant un nombre donné de cycles, ensuite un second niveau de chargement est appliqué jusqu’à la rupture du matériau. Pour de faibles niveaux de contrainte, une vitesse de 5000 tours par minute a été utilisée, alors que pour des niveaux de contrainte élevés, une vitesse de 100 tours par minute a été employée, ceci afin d’éviter un échauffement excessif de l'éprouvette dû à l'énergie des boucles d’hystérésis dans le repère contrainte- déformation. L'ensemble des résultats expérimentaux de Krouse et Moore que nous utiliserons pour la validation des lois d'endommagement étudiées est présenté dans l'annexe 3. Chapitre II Présentation des résultats d'essais de la bibliographie 70 2 – RESULTATS EXPERIMENTAUX DE BENNEBACH ET PALIN-LUC 2.1 – Présentation de la machine d’essais du Laboratoire Matériaux Endommagement Fiabilité (LAMEF) La machine d’essais du LAMEF à Bordeaux permet d’appliquer une sollicitation de flexion plane ou de flexion rotative, et simultanément ou non une sollicitation de torsion. Elle a été conçue pour des essais au-delà de 106 cycles (fatigue à grand nombre de cycles). C’est une machine à asservissement hydraulique pilotée par un micro-ordinateur. La fréquence de travail est comprise entre 10 et 60 Hz pour les chargements sinusoïdaux et de 10 à 50 Hz pour les chargements pseudo-aléatoires. Les autres spécifications de cette machine sont données dans la référence [36]. 2.2 – Présentation du matériau Le matériau d’essais est une fonte à graphite sphéroïdal (GS) utilisée par RENAULT dans la fabrication des vilebrequins de certains moteurs à explosion. RENAULT lui attribue la désignation fonte GS61. 2.2.1 – Traitement thermique Les vilebrequins bruts élaborés avec la fonte GS61 sont obtenus par moulage, puis subissent le traitement thermique suivant : - un maintien en température à 920 °C pendant 1 à 2 H, - un refroidissement lent jusqu'à 870 °C en 3 à 4 H, - une trempe à l’air. 2.2.2 – Les éprouvettes Les éprouvettes ont été directement usinées dans le contre-poids des vilebrequins bruts de fonderie après le traitement thermique. Des barreaux parallélépipédiques ont d’abord été découpés dans les contrepoids par RENAULT. L’ébauche et la demi-finition par copiage ainsi que la finition par rectification en plongée à la meule de grains 25A60 ont été faites au LAMEF, à l'ENSAM-Bordeaux (CER de Bordeaux). Les éprouvettes du lot GS61.I, dont nous utilisons les résultats, ont été testées par Bennebach dans le cadre de sa thèse [37]. Les deux autres lots (GS61.II et GS61.III) ont été traités par Palin-Luc. Signalons que nous ne pouvons pas utiliser les résultats de ces deux derniers lots car nous ne disposons pas d’informations suffisantes sur les conditions et la Chapitre II Présentation des résultats d'essais de la bibliographie 71 méthode de traitement des résultats. Les éprouvettes cylindriques comportent des parties toriques dans la zone utile (Figure 17 (a)). Les coefficients de concentration de contrainte sont ktfp = 1,07 (pour la flexion plane) et ktto = 1,05 (pour la torsion). Les résultats de mesure des états de surface sont présentés dans le tableau 6. Moyenne Ecart-type Valeurs mésurées. → Lot d’éprouvettes ↓ Ra(µm) Rt(µm) Rmax(µm) sRa(µm) sRt(µm) sRmax(µm) GS61.I 0,202 3,93 2,53 0,009 0,613 0,593 GS61.II 0,155 > 4,46 2,34 0,033 0,793 0,648 GS61.III 0,125 3,88 2,71 0,032 1,44 1,26 Tableau 6 : Mesures des états de surface sur éprouvettes lisses en fonte GS61 Figure 17 : Géométries et dimensions des éprouvettes en fonte GS61 [36] (a) pour la machine du L.A.M.E.F., (b) pour la machine INSTRON 8032 de RENAULT. 2.2.3 – Composition chimique La composition chimique (%) de la fonte GS61 est donnée dans le tableau 7. C Mn Si S P Ni Cu Sn Fe 3,5 – 3,9 0,85 1,8-2,8 < 0,02 < 0,05 0,03 0,03 0,01 93 Tableau 7 : Composition chimique (en %) de la fonte GS61 (a) (b) Chapitre II Présentation des résultats d'essais de la bibliographie 72 2.2.4 – Propriétés mécaniques en traction monotone Des essais de caractérisation en traction monotone ont été effectués par RENAULT sur une machine INSTRON 8032 avec des éprouvettes lisses de diamètre 7 mm, telles que celle de la figure 17 (b). Les résultats issus de ces essais sont donnés dans le tableau 8. σe0.02 (MPa) σe0.2 (MPa) Rm (MPa) σu (MPa) E (MPa) ν A (%) 320 462 795 815 164900 0,275 9 Tableau 8 : Caractéristiques mécaniques en traction monotone de la fonte GS61 2.2.5 – Propriétés d’écrouissage Les essais d’écrouissage cyclique (loi de comportement d’équation n 1 t K 2 E 2 2 ′ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ′ σ ∆ + ′ σ ∆ = ε ∆ ) et d’écrouissage monotone (loi d’équation n 1 t E E ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛σ + σ = ε ) réalisés chez RENAULT ont montré que, dans le domaine des déformations de ± 0,6%, les courbes représentatives de ces deux essais sont identiques. Les coefficients des deux lois d’écrouissage, établis dans la référence [36], sont : K = K' = 1121 MPa, E = E' = 164900 MPa et n = uploads/s3/ chapitre2-pdf.pdf