Modélisation et analyse du comportement en fatigue de l’acier HC360LA

Identification des paramètres pour l’acier HC360LA

Pour modéliser le comportement cyclique de l’acier HC360LA, il est nécessaire de disposer d’une représentation correcte de la microstructure. Il faut en particulier préciser la morphologie et l’orientation cristallographique des grains qui servent à construire un agrégat polycristallin représentatif de l’acier HC360LA (i.e. le VER de notre étude). Les observations métallographiques réalisées précédemment (Figure II.4, Figure II.5) ont montré que les grains étaient globalement équiaxes, une forme sphérique a donc été imposée à chacun des grains de l’agrégat. Aussi, pour correctement représenter la texture cristallographique, l’espace d’Euler a été discrétisé en  orientations différentes9 . La fonction de distribution des orientations obtenue par diffraction (Figure II.10) a ensuite été utilisée pour calculer la fraction volumique associée à chacune des 618 orientations. Cette stratégie permet de considérer les orientations cristallographiques préférentielles induites par le laminage. Dans le cas de l’acier HC360LA, seule la phase ferritique est considérée, on néglige la contribution des quelques grains perlitiques qui ne représentent qu’une faible fraction volumique (3,2 %). Le comportement de la phase ferritique est décrit à partir du modèle présenté au Chapitre III en considérant à la fois les systèmes de glissement des familles 110 111  et 110 112  (soit un total de 24 systèmes de glissement). Afin d’identifier les paramètres du modèle, on utilise les résultats des essais mécaniques présentés au Chapitre II. Plus spécifiquement, à l’exception des propriétés élastiques de la ferrite qui sont extraites de la littérature (Simmons & Wang, 1971), on s’appuie sur les courbes contrainte-déformation obtenues pour les différentes configurations pour identifier les paramètres de comportement (plasticité, écrouissage isotrope et écrouissage cinématique) et les courbes de Wöhler pour déterminer les paramètres relatifs à l’endommagement. Une difficulté se pose néanmoins lorsqu’il s’agit de prendre en compte l’effet du pré-écrouissage sur le comportement élastoplastique cyclique. On observe que, lorsqu’il s’agit d’identifier les paramètres de comportement, notamment à cause de la présence d’un important phénomène de vieillissement dynamique en traction, les lois d’évolutions des variables internes ne permettent pas de correctement reproduire le comportement mécanique sous chargement statique et sous chargement cyclique avec un unique ensemble de paramètres. Il apparaît en effet que la loi de comportement présentée au chapitre précédent n’est pas suffisamment riche pour décrire à la fois les phénomènes qui interviennent pendant le pré-écrouissage (e.g. franchissement du palier de Lüders) et ceux qui gouvernent le comportement cyclique (e.g. durcissement cyclique). Pour contourner cette difficulté, la stratégie utilisée ici consiste à identifier un ensemble de paramètres qui permettent de décrire l’évolution des variables internes pendant l’éventuel pré-écrouissage (configurations R01P et R03P) puis un second ensemble de paramètres dédié au comportement cyclique (configurations R01NP, R01P et R03P). Ainsi, les paramètres qui gouvernent le comportement statique ont été identifiés à partir des données des essais de traction uniaxiale (Tableau IV.1). L’écrouissage cinématique et l’endommagement n’ont alors pas été considérés (Figure IV.1). Les données obtenues à partir des essais cycliques ont servi à identifier les paramètres de comportement cyclique (Tableau IV.2). Plus spécifiquement, les paramètres qui interviennent dans la loi d’écoulement viscoplastique ( K , N et R0 ), dans la loi d’écrouissage isotrope ( Q , B et H ) et dans la loi d’écrouissage cinématique ( A et D ) ont été ajustés afin de correctement reproduire les courbes contrainte-déformation cycliques. Les paramètres d’endommagement ( W , M et P ) ont été identifiés pour décrire au mieux les courbes de Wöhler expérimentales. 

Conditions de chargement et conditions initiales 

Influence du pré-écrouissage

Les résultats des essais cycliques ont montré que le pré-écrouissage permet d’augmenter de manière significative la résistance à la fatigue de l’acier HC360LA. Pour les alliages métalliques, cette Nr (nombre de cycles à rupture) Nr (nombre de cycles à rupture) 129 influence bénéfique du pré-écrouissage n’est toutefois pas systématique (Nagase & Suzuki, 1992; Munier, 2012). Plusieurs phénomènes aux conséquences différentes se produisent en effet lors du préécrouissage. D’abord, l’augmentation de la limite d’écoulement induite par le pré-écrouissage est généralement associée à la multiplication des dislocations. Cette augmentation de la densité de dislocations (notamment les dislocations forêts) réduit notablement la mobilité de ces dernières, l’écoulement plastique devient alors plus difficile. Ainsi, puisque l’endommagement des matériaux métalliques est dans de nombreux cas lié à l’existence d’une activité plastique localisée, une augmentation de la limite d’écoulement permet d’améliorer la résistance à la fatigue. Dans certaines situations, le pré-écrouissage peut néanmoins avoir une influence négative sur la tenue en fatigue. En particulier, lorsque les déformations plastiques atteintes lors du pré-écrouissage sont importantes, il est possible de voir apparaître un endommagement de type ductile associée à la formation de cavités. Les cavités ainsi créées sont susceptibles de favoriser l’amorçage interne des fissures de fatigue causant alors une réduction de la durée de vie (Libertiny, et al., 1977). Dans le cas de l’acier HC360LA, l’effet du pré-écrouissage est positif car il provoque une réduction importante de l’activité plastique sans pour autant engendrer d’endommagement ductile. La réduction d’activité plastique se manifeste notamment par une diminution de la quantité d’énergie dissipée au cours du chargement cyclique (Figure IV.16). L’absence d’endommagement ductile à l’origine de l’amorçage semble corroboré par les observations fractographiques réalisées précédemment, celles-ci ne permettent pas d’observer d’amorçage interne associé à la présence de cavités. Cela s’explique par le fait que les déformations plastiques imposées lors du pré-écrouissage sont faibles (environ 10%).