Essais mécaniques et simulation numérique

Des essais mécaniques pratiqués sur des éprouvettes de matériaux F17TNb et R20-12 sous chargements simples permettent d’étudier leur comportement et d’identifier les paramètres d’un modèle numérique adéquat. Il est alors possible d’effectuer des calculs par éléments finis de structures et sollicitations plus complexes. Les lois de comportement sont des outils précieux pour le bureau d’études qui peut alors, par exemple, optimiser les niveaux et les localisations des contraintes et des déformations en fonction de la géométrie d’un collecteur d’échappement.D’autre part, la simulation numérique de l’éprouvette de l’essai de fatigue thermique permet de connaître l’état de contrainte et de déformation aux points intrados et extrados. Cela conduit, entre autres, à vérifier que la sollicitation thermomécanique hors phase en région intrados est plus sévère que la sollicitation en phase de la zone extrados comme observé expérimentalement (cf Partie 4).Une caractérisation du comportement des matériaux F17TNb et R20-12 sous sollicitations mécaniques uniaxiales est entreprise. Des essais mécaniques isothermes sont réalisés à basse, moyenne et haute températures (300, 650 et 850°C). Des essais non isothermes sont également réalisés sur des intervalles couvrant ces températures, principalement sur la plage 250-850°C. A partir des enregistrements expérimentaux obtenus en régime isotherme, une identification de lois de comportement est effectuée. Les comportements expérimentaux non isothermes permettent de valider les modèles numériques identifiés. Les calculs de structure de l’éprouvette de l’essai de fatigue thermique et d’un collecteur sont alors réalisés. En fin de partie, un critère de ruine en fatigue thermique est discuté.

Appareillage d’essai

Les essais mécaniques sont effectués sur les machines Inströn 8500 (vérin hydraulique) ou 8562 (électromécanique à vérin à vis). Chaque appareil est équipé d’un four en aluminium à quatre lampes halogènes placées dans des gorges elliptiques. Entre ces gorges, des lignées de petits alésages permettent, le cas échéant, de refroidir l’éprouvette par air comprimé. Une circulation d’eau refroidit le four et une lumière est usinée dans celui-ci afin de permettre le passage d’un extensomètre.Les essais sont pilotés en contrôle de déformation à l’aide d’un extensomètre développé au Centre des Matériaux (fig 5.1). Le déplacement des couteaux au bout des tiges d’alumine de l’extensomètre est mesuré par la technique classique du pont de jauges de déformation. La sensibilité de l’extensomètre est de l’ordre du dixième de micromètre. L’écartement initial des couteaux est de 10mm et la consigne de déplacement est imposée depuis le pupitre de commande de l’appareillage d’essai pour les essais isothermes ou pilotée par ordinateur pour les essais non isothermes.

L’éprouvette d’essai est de type élément de volume. Celle-ci est usinée suivant le sens long d’une ébauche (état métallurgique train à bandes) de nuance F17TNb ou R20-12 traitée 1125°C-2h (cf Partie 3) car, compte tenu de ses dimensions, le produit fini ne possède pas une épaisseur suffisante. La caractérisation des états train à bandes et produit fini présentée en Partie 3 du présent document montre des états métallurgiques similaires pour la nuance austénitique R20-12 et, pour la nuance ferritique F17TNb, une différence essentiellement limitée à un facteur deux dans la taille de grains.Les éprouvettes pour essais mécaniques isothermes ont 6mm de diamètre et 12mm de longueur utile (fig 5.2). Les éprouvettes pour essais mécaniques non isothermes sont tubulaires, ayant respectivement 9 et 11mm de diamètre intérieur et extérieur, leur longueur utile étant de 25mm (fig 5.3). La fine épaisseur du tube (1mm) limite les gradients de température et de contrainte en zone utile, ces gradients étant incompatibles avec la notion d’élément de volume.

Aux extrémités de ces éprouvettes, des filets M18 sont usinés afin d’amarrer celles-ci aux mors des lignes de charge de la machine d’essai. Avant essai mécanique, la surface des éprouvettes est polie jusqu’à la pâte diamantée conduisant à un état de surface lisse et reproductible. L’alésage des éprouvettes tubulaires est rodé.La force appliquée par le vérin est mesurée par une cellule d’effort disposée à l’extrémité opposée de la machine d’essai. En fonction des conditions d’essai, la capacité de cette cellule est de 10kN ou 50kN. D’autre part, un Thermocoax! fixé au centre de la zone utile de l’éprouvette mesure la température de celle-ci. En sortie, le déplacement, la force et la température sont mesurés et enregistrés sur le disque dur d’un ordinateur Apple.