Observation d’éprouvettes de fatigue thermique

Essais de fatigue thermique conduits jusqu’à rupture

Des essais de fatigue thermique sont effectués sur des éprouvettes de métal F17TNb et R20-12 suivant différents cycles thermiques. Le principe de cet essai est présenté en Partie 1 du présent document. Tous les essais sont conduits avec la même géométrie du montage expérimental, 82mm de distance entre les mors de bridage, épaisseur de l’éprouvette de 2mm et mise en forme à froid identique (fig 4.1). Les essais débutent par le chauffage de l’éprouvette depuis la température ambiante jusqu’à une température maximale de 900 ou 950°C et se poursuivent par une succession de cycles de refroidissement libre à l’air jusqu’à la température basse du cycle, ici 250°C, et de chauffage jusqu’à la température haute (fig 4.2). Pour certains essais, un maintien de 60 ou 180 secondes à la température maximale du cycle thermique est appliqué. figure 4.1 : Géométrie du montage expérimental de fatigue thermique figure 4.2 : Température au sommet de l’éprouvette testée suivant 250-950°C 

Durées de vie

La durée de vie en fatigue thermique est déterminée lorsque l’effort maximal mesuré par le capteur a chuté de 50% de sa valeur la plus haute. L’effort maximal est atteint à la température basse du cycle thermique (250°C). Les durées de vie ainsi déterminées pour différents cycles thermiques sont présentées au tableau 4.1 et sous forme d’un histogramme à la figure 4.3. cycle thermique 250-900°C 250-950°C maintien à Tmax 0s 60s 180s 0s 180s F17TNb 5294 3429 2896 3299 2686 R20-12 4975 2801 2171 3006 1385 tableau 4.1 : Durées de vie en fatigue thermique des matériaux F17TNb et R20-12 figure 4.3 : Durées de vie en fatigue thermique des matériaux F17TNb et R20-12 Partie 4 : Observation d’éprouvettes de fatigue thermique 84 Bien que l’acier inoxydable R20-12 possède des propriétés mécaniques plus élevées que celles du matériau F17TNb, les durées de vie mesurées en fatigue thermique sont légèrement plus élevées pour l’acier ferritique, quel que soit l’intervalle de température d’essai. Entre les deux nuances, les différences de nombres de cycles à rupture sont faibles lorsque aucun temps de maintien n’est appliqué. Cependant, les différences de durées de vie sont d’autant plus importantes que les temps de maintien à la température maximale du cycle thermique sont longs. L’influence du temps de maintien sur la ruine des nuances F17TNb et R20-12 est particulièrement sensible à 950°C.

Faciès de rupture

Protocole expérimental

L’endommagement des deux matériaux se situe au niveau du « V » de l’éprouvette. Il s’agit de la zone de l’éprouvette la plus chaude et, ainsi, de la plus sollicitée mécaniquement. Pour chaque condition d’essai (cf tab 4.1), les faciès de rupture en fatigue thermique sont observés. Les surfaces sont tout d’abord observées macroscopiquement puis au microscope électronique à balayage en mode électrons secondaires. Les éprouvettes sont ensuite tronçonnées en leur plan médian suivant leur longueur puis enrobées et polies mécaniquement. Pour la majorité des éprouvettes, un dépôt de nickel préalable permet de protéger les surfaces des échantillons lors de leur préparation. Les coupes obtenues sont observées aux microscopes optique et électronique à balayage. Des analyses à la microsonde et des attaques chimiques révélant les microstructures complètent ces observations. 1.2.2. Cas du matériau F17TNb Pour tous les essais (250 – Tmax $ 900°C), les faciès de rupture du matériau F17TNb présentent les mêmes caractéristiques (fig 4.4). L’endommagement le plus important de la nuance ferritique est situé en intrados, soit la zone inférieure du coude de l’éprouvette. Une fissure principale se propage jusqu’aux deux tiers de l’épaisseur environ. La pointe de fissure est plus émoussée pour les essais dont la température maximale du cycle thermique est de 950°C. De part et d’autre de la fissure principale, des fissures secondaires sont observées. Leur longueur est d’autant plus faible que ces fissures secondaires sont éloignées de la principale. figure 4.4 : Eprouvette F17TNb rompue en fatigue thermique 250-900°C-60s, Optique . La zone extrados de l’éprouvette, soit la zone supérieure du coude de l’éprouvette, n’est que faiblement endommagée en comparaison à l’intrados. Des refoulements de matière, vraisemblablement liés à une accumulation de déformation plastique, conduisent à la formation de bourrelets en surface et lui donnent un aspect en peau d’éléphant (fig 4.5). Le sens long de ces bourrelets est perpendiculaire à la direction de sollicitation thermomécanique de l’éprouvette. Entre ces bourrelets, de petites fissures se sont propagées dans le métal (fig 4.6) mais leur taille est négligeable face aux fissures de la région intrados. % direction de sollicitation & figure 4.5 : Observation de la surface extrados de l’éprouvette F17TNb rompue en fatigue thermique, 250-950°C, MEB % direction de sollicitation & figure 4.6 : Coupe en extrados de l’éprouvette F17TNb rompue en fatigue thermique, 250-950°C, MEB Pour tous les essais de fatigue thermique effectués, la géométrie de l’éprouvette semble macroscopiquement stable (fig 4.7). Cependant, les éprouvettes correspondant au cycle thermique 250-950°C avec ou sans temps de maintien à la température maximale présentent un petit affaissement de leur sommet, le « V » de l’éprouvette étant légèrement aplati. figure 4.7 : Photographie de l’éprouvette F17TNb avant et après essai de fatigue thermique 250-950°C % direction de sollicitation & figure 4.8 : Observation de la couche d’oxyde en extrados – F17TNb, 250-950°C-180s à rupture, MEB – Des observations au microscope électronique à balayage complétées par des cartographies chimiques à la microsonde sont effectuées sur la coupe longitudinale des éprouvettes rompues aux régions intrados et extrados. L’oxydation du matériau F17TNb est toujours faible, l’épaisseur de la couche d’oxyde étant de quelques micromètres (fig 4.8). La couche d’oxyde est continue et aucune évidence d’écaillage (zones mises à nues) ou d’oxydation catastrophique (présence d’oxyde de fer) n’est généralement observée. 

Cas du matériau R20-12

Les faciès de rupture en fatigue thermique du matériau R20-12 présentent également des caractéristiques identiques pour tous les essais 250 – Tmax $ 900°C (fig 4.9). Contrairement au matériau ferritique, l’endommagement de cette nuance se situe principalement en extrados. Plusieurs fissures s’y sont propagées, certaines allant jusqu’aux trois quarts de l’épaisseur environ. De part et d’autre de celles-ci, des fissures secondaires sont également présentes ainsi qu’un endommagement interne ressemblant à des cavités de fluage (fig 4.10).