Comportement mécanique cyclique des alliages Fe-Si influence des paramètres

Les influences de la vitesse de déformation, de la température ainsi que de la concentration en silicium sur le comportement quasi-statique, le comportement cyclique et la tenue en fatigue des alliages Fe-Si ont été étudiées dans la littérature. On présente ici une synthèse des principaux résultats obtenus dans ces études. Dans leurs travaux, Magnin et al. [19] ont étudié l’influence de la vitesse de déformation sur l’amorçage des fissures en fatigue oligocyclique dans divers métaux de structure cubique centrée parmi lesquels figure un polycristal de Fe-3%Si de taille de grain d’environ 60 µm après recuit. L’alliage Fe-3%Si a été testé sous un chargement cyclique de traction-compression symétrique à déformation imposée en utilisant différentes vitesses de déformation. Les auteurs montrent qu’une augmentation de la vitesse de déformation engendre un changement important dans le mode d’amorçage des fissures de fatigue. Ce dernier passe de transgranulaire pour les faibles vitesses de déformation (ε̇ < 2,5×10‒6 s‒1) à inter-granulaire pour les vitesses les plus élevées (ε̇ > 2,5×10‒4 s‒1), en passant par le mode mixte pour les vitesses de déformation intermédiaires (comprises entre 2,5×10‒6 s‒1 et 2,5×10‒4 s‒1). Les auteurs se basent, dans leur explication, sur la contrainte d’écoulement à saturation qu’ils décomposent on se basant sur les travaux de Seeger [20]. La contrainte est décomposée selon l’équation (5) en une composante interne σi relative aux effets d’ancrage des dislocations et de frottement local dans le réseau cristallin et une composante effective σ* qui dépend de la température. Cette composante est principalement liée à la multiplication et l’annihilation des dislocations.

Comme le montre la Figure I–5, pour les faibles vitesses de déformation, la composante interne de la contrainte domine. Les mécanismes d’endommagement dus à σi sont donc à l’origine des fissures transgranulaires observées sur les polycristaux de Fe-3%Si. Ces mécanismes sont principalement liés à la formation de bandes de glissement et des intrusions dans les grains. En se plaçant dans la gamme des vitesses intermédiaires, le mode mixte est observé. Dans ce cas, les deux types de fissures sont présents. Ceci est dû au fait que les deux composantes de la contrainte (σ* et σi) ont des valeurs semblables. En revanche, pour les vitesses de déformation élevées, la composante effective est dominante. Le mécanisme d’endommagement relatif à σ*, qui provoque l’apparition de fissures intergranulaires, est principalement relié au mouvement thermiquement activé des dislocations vis. Comme le montre la Figure I–6, les fissures intergranulaires sont une conséquence des incompatibilités de déformation induites par le caractère fortement hétérogène du processus de déformation plastique. En effet, les fortes déformations plastiques au voisinage des joints de grains et les concentrations de contraintes locales favorisent l’amorçage de fissures sur le bord des grains.

Analyse bibliographique

Les auteurs mentionnent que cette corrélation entre la vitesse de déformation, les composantes de la contrainte d’écoulement à saturation et le mode d’amorçage des fissures est valable uniquement pour les matériaux ductiles qui ne contiennent pas d’impuretés. Aussi, ils relèvent que les résultats obtenus dépendent fortement de certains paramètres métallurgiques. En effet, la concentration élevée d’atomes de soluté, comme le carbone et l’azote par exemple, peut  fragiliser les joints des grains ce qui favorise l’amorçage des fissures intergranulaires. Un autre effet des éléments en solution solide est lié à la mobilité relative des dislocations vis et coins qui peut influencer la dépendance du type d’amorçage des fissures vis-à-vis de la vitesse de déformation. Enfin, un autre facteur susceptible d’influencer le mode d’amorçage des fissures est la taille des grains. Plus précisément, une augmentation de la taille des grains engendre un abaissement de la contrainte interne, la contrainte effective étant inchangée. Une taille de grains importante favorise donc un mode d’amorçage intergranulaire. L’ajout de silicium au fer modifie certaines propriétés des alliages Fe-Si. Selon l’utilisation de l’alliage Fe-Si, cette modification peut être bénéfique ou bien néfaste. Les points positifs sont visibles à travers le changement des propriétés électriques. En effet, l’ajout de silicium diminue la résistivité électrique et donc minimise l’intensité des courants de Foucault. En revanche, les points négatifs sont liés à la modification des propriétés magnétiques. En effet, l’ajout de silicium diminue la constante d’anisotropie magnétocristalline ainsi que l’aimantation à saturation [21]. Les propriétés mécaniques sont aussi affectées par l’ajout de silicium. Ce dernier a tendance à attirer les impuretés et à former ainsi de gros précipités. La dureté et la ductilité de l’alliage sont donc dépendantes de la concentration en silicium. Ce dernier améliore les propriétés de ductilité à condition que la concentration ne dépasse pas 3%. Si la teneur en Silicium dépasse 4%, l’alliage est fragile et sa mise en forme à froid devient donc difficile [21]. Lors de l’élaboration du matériau, des additifs peuvent éventuellement s’ajouter au silicium d’une manière volontaire ou involontaire. Certains améliorent les propriétés mécaniques de l’alliage (l’aluminium, le manganèse…) et d’autres les dégradent (le carbone, l’oxygène, l’azote…) [21].