Etude expérimentale du comportement en fatigue de l’acier HC360LA

L’étude de l’endommagement en fatigue à grand nombre de cycles d’un acier à haute limite d’élasticité (acier HC360LA) est le principal objectif de cette thèse. On utilise donc ce chapitre pour décrire de manière détaillée le matériau de l’étude en précisant ses caractéristiques aussi bien métallurgiques que mécaniques. Aussi, on présente le protocole expérimental utilisé pour la réalisation des essais mécaniques statiques et cycliques. En particulier, puisqu’on cherche à aborder le problème de la fatigue à grand nombre de cycles sous l’angle énergétique, on prendra soin de préciser la méthode utilisée pour estimer les différentes grandeurs énergétiques à partir des données expérimentales. On s’attardera notamment sur le cadre thermodynamique utilisé et sur les hypothèses associées. Enfin, sans pour l’instant s’attarder largement sur l’exploitation et l’interprétation, qui feront l’objet du Chapitre IV, on présentera les résultats obtenus suite à ces essais. L’acier HC360LA est un acier à haute limité d’élasticité destiné principalement à la mise en forme par déformation plastique. Le choix de cet alliage comme objet de l’étude a été motivé par deux raisons. D’abord, les travaux de thèse s’intègrent au projet APSTRAM dont une des principales préoccupations est la tenue en fatigue des assemblages soudés en acier HSLA. Il est donc naturel de se concentrer pour la thèse sur une nuance d’acier appartenant à cette famille. Aussi, afin de faciliter le travail d’interprétation et de modélisation, il a été choisi de se restreindre à des matériaux (quasi-) monophasés. C’est la combinaison de ces deux contraintes qui a motivé le choix de l’acier HC360LA.

L’acier HC360LA est utilisé ici sous forme de tôles d’épaisseur 2,7 mm obtenues par laminage à chaud. A cause de l’opération de laminage, on distinguera par la suite trois directions particulières : la direction de laminage (notée DL et parallèle à l’axe 1), la direction transverse (notée DT et parallèle à l’axe 2) et la direction normale (notée DN et parallèle à l’axe 3).On sait que la taille et la forme des grains influencent largement les propriétés mécaniques des alliages métalliques polycristallins, notamment la résistance statique (effet Hall-Petch (Hall, 1951; Petch, 1953)). En vue de comprendre et de modéliser le comportement de l’acier HC360LA, il est donc nécessaire d’estimer des grandeurs représentatives de la morphologie des grains. A cette fin, des observations métallographiques ont été réalisées pour déterminer la taille moyenne et la forme des grains. Pour réaliser les observations métallographiques, des échantillons ont été prélevés dans les différentes directions d’une tôle d’acier HC360LA. Ils ont ensuite été polis puis attaqués à l’aide d’une solution de nital 4% (solution d’éthanol et d’acide nitrique) afin de révéler la microstructure. Les observations métallographiques ont ensuite été réalisées par microscopie électronique à balayage (MEB).

Aussi, pour évaluer la distribution de taille des grains de ferrite, la distance séparant deux joints de grains consécutifs d’un même grain suivant la direction longitudinale a été mesurée. Ces mesures ont été réalisées sur une population de 1000 grains de sorte à obtenir des statistiques fiables. Comme le montre la Figure II.6, on constate que la taille moyenne de grains est de 3,5 µm dans cette direction. On observe également que la distribution de la taille des grains suit une loi de type log-normale qui correspond à ce qui est classiquement observé pour les polycristaux (Rhines & Patterson, 1982; Ter Heege, et al., 2004). Pour prendre en compte l’éventuelle anisotropie des propriétés élastiques et de déformation plastique, il est nécessaire de connaître la texture cristallographique de l’acier HC360LA. En effet, la connaissance des possibles orientations cristallographiques préférentielles est une information essentielle pour la simulation du comportement des polycristaux. Différentes techniques expérimentales ont ainsi été développées pour déterminer la texture cristallographique d’un matériau polycristallin. On utilise ici les techniques de diffraction des rayons X (DRX) (Bunge, 1982) qui permettent une mesure globale de la texture cristallographique. Etant donnée la faible profondeur de pénétration des rayons X dans l’acier (environ 5 µm), cette méthode ne fournit toutefois qu’une information superficielle sur les orientations préférentielles.