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Analyse bibliographique Comportement en fatigue des aciers ferritiques et modèles d’endommagement en fatigue
L’étude bibliographique proposée dans ce chapitre vise à préciser le cadre des travaux abordés dans la suite du document qui portent sur la réponse en fatigue d’un acier ferritique HC360LA. L’ambition ici est triple. Il s’agit dans une première partie de mieux cerner les spécificités des aciers à haute limite d’élasticité (HLE ou HSLA) avec un accent particulier sur le lien entre les caractéristiques microstructurales et le comportement mécanique macroscopique. On s’efforcera en particulier de clairement aborder les types de réponse obtenus sous chargement cyclique ainsi que les mécanismes d’amorçage observés en fatigue. Le deuxième volet est consacré aux approches énergétiques. L’objectif de cette partie est de pointer les difficultés inhérentes à l’utilisation de telles quantités et de distinguer leur capacité à rendre compte de l’endommagement en fatigue. Pour finir, la dernière partie traitera de la modélisation de l’endommagement en fatigue sous l’angle du couplage plasticité- endommagement qui peut apparaître à différentes échelles. L’analyse bibliographique conduite dans cette première partie vise à mieux comprendre les spécificités des aciers micro-alliés à haute limite d’élasticité HSLA et en particulier leur comportement sous chargement monotone et cyclique. L’étude proposée se limitera dans la mesure du possible aux aciers à microstructure majoritairement ferritique. Après une brève présentation de ces nuances, nous aborderons le rôle des paramètres microstructuraux (éléments de micro-alliage, taille de grain, précipités …) sur les caractéristiques de résistance mécanique. Le type de réponse sous chargement cyclique sera ensuite étudié en prenant soin de décrire les structures de dislocations à l’origine des comportements macroscopiques observés et en distinguant les réponses mécaniques à déformation et contrainte imposée. Après avoir présenté les courbes de résistance en fatigue des aciers HSLA, nous nous pencherons plus particulièrement sur les mécanismes d’endommagement responsables de l’amorçage des fissures en fatigue. Cette étude s’achèvera par l’analyse des effets d’une pré- déformation sur le comportement en fatigue. Il s’agira en particulier de mieux comprendre les rôles respectifs de l’intensité et du mode de la pré-déformation sur la réponse en fatigue.
Généralités sur les aciers HSLA (ou HLE)
Parmi les aciers à haute résistance et à très haute résistance utilisés en particulier dans l’industrie automobile, on a de plus en plus recours à des nuances présentant des caractéristiques élevées à la fois en résistance et en formabilité. Les aciers Dual Phase par exemple, présentent des microstructures multiphasées (Ferrite-Martensite) qui visent à allier les avantages d’une matrice ductile pour la formabilité et ceux de la présence d’une seconde phase dure pour les caractéristiques de résistance. Pour atteindre des niveaux de résistance élevés tout en conservant une formabilité suffisante, on a également très fréquemment recours aux aciers HSLA dont la microstructure est souvent Les aciers micro-alliés HSLA (High Strength – Low Alloyed), dénommés parfois aciers HLE en France, sont des aciers bas carbone dans lesquels de petites quantités d’éléments d’addition (Nb, V, Ti, Cu, Al …), seuls ou associés, sont introduites afin d’atteindre des caractéristiques mécaniques importantes (limite d’écoulement plastique supérieure à 275 MPa). Même si l’usage du niobium comme élément de micro-alliage remonte aux années 40, l’introduction du terme micro-allié remonte à 1965 avec la mise au point du laminage contrôlé des tôles (Grumbach, 2000). L’objectif principal de ce micro-alliage est le durcissement de la ferrite par affinement de grains, par précipitation et dans une moindre mesure par solution solide. Le durcissement par solution solide dépend en premier lieu de la composition de l’alliage. Les durcissements par affinement de grain et/ou précipitation sont fonction à la fois de la composition de l’alliage et des conditions thermomécaniques du procédé d’obtention (en particulier le laminage). Il est important de faire remarquer que des petites quantités d’éléments comme le niobium (et dans une moindre mesure le vanadium ou le titane) conduisent à une diminution sensible du phénomène de recristallisation pendant le laminage permettant l’obtention d’une microstructure particulièrement fine L’utilisation du micro-alliage permet d’accéder à des limites d’écoulement deux à trois fois supérieures à celle d’un acier C-Mn. Un des grands intérêts de ces nuances est donc l’obtention de hautes caractéristiques mécaniques avec des bas niveaux de carbone ce qui assure en particulier une très bonne soudabilité (grâce à une faible valeur de carbone équivalent caractérisant la trempabilité des aciers en condition de soudage). En effet, si on cherche à augmenter les caractéristiques de résistance des aciers, on peut recourir à des teneurs en carbone et/ou en manganèse plus importantes mais dans ce cas, la soudabilité est affectée.
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