02/07/2013 - Soutenance de thèse d'Houda Yahyaoui

Houda YAHYAOUI soutiendra publiquement ses travaux de thèses intitulés :

«Effet de l’espacement interlamellaire sur le comportement sous chargements monotone et cyclique de l’acier perlitique C70»

 

Le 02 juillet 2013 à 14 heures

Arts et Métiers ParisTech
151 Boulevard de l'Hôpital 75013 Paris
Salle des Conseils

Co-directeur de thèse : Habib Sidhom
Co-directeur de thèse : Chedly Braham

 

Jury
Manuel FRANCOIS, Professeur, LASMIS, Université de Technologie de Troyes, Rapporteur
Tarak BOURAOUI, Professeur, LGM, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir, Rapporteur
Jean Michel SPRAUEL, Professeur, Institut des Sciences du Mouvement Aix Marseille Université, Examinateur
Andrzej BACZMANSKI, Professeur, Faculty of Physics and Applied Computer Science, Cracovie, Examinateur
Habib SIDHOM, Professeur, LMMP, Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Tunis, Examinateur
Chedly BRAHAM, Maitre de conférences, PIMM, Arts et Méteirs Paritech, Examinateur
Nicolas RANC, Maitre de conférences, PIMM, Arts et Métiers Paritech, Invité
Hervé MICHAUD, Ingénieur, Ascometal C.R.E.A.S, Invité

 

Effet de l’espacement interlamellaire sur le comportement sous chargements monotone et cyclique de l’acier perlitique C70

Résumé : L’effet de l’espacement interlamellaire sur le comportement sous chargements monotone et cyclique de l’acier perlitique C70 a été étudié dans ce travail. Une démarche expérimentale conjuguant les techniques de traction « in-situ » sous DRX et traction « in-situ » sous MEB couplées à une modélisation auto-cohérente a été adoptée pour identifier l’effet de l’espacement interlamellaire sur les mécanismes de déformation, les paramètres de plasticité de la ferrite, les déformations élastiques et les distributions des contraintes résiduelles. Les essais ont été effectués sur deux microstructures, à deux espacements interlamellaires différents, résultant de deux traitements thermiques de l’acier C70. Il a été montré que l'écoulement plastique de la structure perlitique est contrôlé par celui de la ferrite lequel est gouverné par l’espacement interlamellaire. Il en est de même pour les distributions des contraintes résiduelles, résultant de la déformation plastique de la structure perlitique. L'identification par le modèle auto-cohérent des cissions critiques  a confirmé l'effet de l'espacement interlamellaire sur le début de l'écoulement plastique de la ferrite. Elle attribue la plus faible valeur de  pour la structure de plus grand espacement interlamellaire Sp = 230 nm, MPa. Les calculs à l'aide du modèle auto-cohérent ont permis de mettre en évidence l'anisotropie élastique à l'échelle des phases et l'effet de l'espacement interlamellaire sur les rigidités et les limites d'écoulement directionnelles. L'analyse microstructurale des sous-structures de déformation par traction uni-axiale de la perlite a mis en évidence l'hétérogénéité de déformation et d'endommagement à l'échelle des phases (ferrite et cémentite). Il a été établi que la déformation plastique de la perlite est caractérisée par le développement de bandes de cisaillement d'intensité et d'étendue dépendant de l'orientation des colonies de perlite par rapport à la direction de chargement. Ces bandes sont le siège de l'amorçage des fissures par cisaillement des lamelles de cémentite lorsque le taux de déformation macroscopique excède 15%. Ce mécanisme opère qualitativement de la même manière pour les deux microstructures étudiées.  L’effet de l’espacement interlamellaire sur le comportement en fatigue giga-cyclique a été étudié par des essais de fatigue, conduits sur une machine ultrasonique offrant des fréquences de chargement de 20 KHz. Des différences de 30 MPa, pour la microstructure à SP= 230 nm, et de 50 MPa pour la microstructure  à SP= 170 nm entre les limites de fatigue conventionnelle (106cycles) et giga-cyclique (109cycles) ont été obtenues sur la base de l’analyse des résultats d’essais de fatigue. L’effet de l’espacement interlamellaire sur le comportement en fatigue méga-cyclique et giga-cyclique de l’acier perlitique C70 apparait peu significatif (ΔσD de 25 à 50 MPa) comparativement aux caractéristiques mécaniques de traction (ΔRe =100 MPa, ΔRm = 127 MPa). Les limites de fatigue giga-cycliques obtenues, intègrent l’effet bénéfique des contraintes résiduelles de compression dans la ferrite, partiellement relaxées sous chargement giga-cyclique. Ces limites de fatigue intègrent également les effets d’écrouissage (durcissement superficiel de la ferrite) induit par l’usinage des éprouvettes et par écrouissage cyclique. L’examen des sites d’amorçage des fissures de fatigue révèle essentiellement un amorçage en surface dans le domaine méga-cyclique et mixte en surface et/ou en sous-couches dans le domaine de fatigue giga-cyclique. En conséquence, les résultats expérimentaux peuvent être interprétés sur la base des effets des propriétés de surface stabilisées et de la microstructure (espacement interlamellaire). Le recours à un critère de fatigue uni-axial de type Goodman permet d’identifier d’une manière qualitative la contribution des différents facteurs d’influence, ci-dessus cités, dans la résistance à l’amorçage des fissures de fatigue.

Mots clés : Acier perlitique, Diffraction X, Modèle auto-cohérent, Fatigue giga-cyclique.

 

Effect of interlamellar spacing on the monotonic and cyclic behavior of C70 pearlitic steel

Abstract: The effect of pearlite interlamellar spacing on the monotonic and cyclic behavior of C70 pearltic steel was investigated. Tensile tests under scanning electron microscope and under X-ray diffraction coupled with self-consistent model have been used to clarify the role of interlamellar spacing on the deformation mechanisms, ferrite critical shear stress, lattice strain and plastic induced residual stress. Tests have been carried out on two microstructures with different interlamellar spacing, resulting from various heat treatments of C70 pearlitic steel. It has been established that the pearlite deformation is controlled by mechanisms occurring in ferrite. Then yielding of pearlite is controlled by ferrite critical shear stresses) which are equal to 75 MPa for interlamellar spacing Sp = 230 nm and 105 MPa for interlamellar spacing Sp =170 nm. The pearlite deforms inhomogeneously under tensile loading by localized shearing in intense shear bands. These bands propagate across pearlite colonies with cementite lamellae preferentially oriented parallel or slightly inclined to the tensile axis. In the large shear bands, parallel cementite plate offsets before fracture and contributes to the occurrence of localized damage. Outside the shear bands, cementite kinks and bends in randomly distributed pearlite colonies with lamellae perpendicular to the tensile axis. The plastic incompatibility between ferrite and cementite create a residual stress partitioning as compressive in ferrite and tensile in cementite. The level of measured residual stress in ferrite is higher for the largest interlamellar spacing under the same imposed total strain. Giga-cycle fatigue tests were performed to identify the effect of interlamellar spacing on the fatigue limit and cracks nucleation. Tests were performed on an ultrasonic machine at a frequency of 20 KHz. The difference of the fatigue strength between 106 and 109 cycles is about 30 MPa for a pearlite with interlamellar spacing Sp = 230 nm and 50 MPa for a pearlite with Sp= 170 nm. The effect of interlamellar spacing on the mega-cyclic (106 cycles) and giga-cyclic (109 cycles) fatigue limit of pearlitic steel C70 appears not significant (ΔσD 25 to 50 MPa) compared to the mechanical characteristics (ΔRe = 100 MPa, ΔRm = 127 MPa). Giga-cyclic fatigue limit obtained, includes the beneficial effect of stabilized compressive residual stresses in the ferrite. It also includes the effects of hardening induced by the machining test and cyclic hardening. However, any significant effect of interlamellar spacing on the C70 fatigue limits has been shown. The analysis of fracture surface under SEM shows that failures initiated on surface for the mega-cyclic regime and on different sites (surface or internal) for the giga-cyclic regime. Consequently, the experimental results can be interpreted on the basis of the effects of stabilized surface properties and microstructure (interlamellar spacing). The use of a standard uni-axial fatigue Goodman criterion would identify qualitatively the contribution of different factors, cited above, in the fatigue crack initiation resistance.

Keywords : Pearlitic steel, X-ray diffraction, Self-consistent model, Giga-cycle fatigue.

 

Groupe(s) de recherche lié(s): 
CoMet : Comportement et microstructure des Métaux