Endommagement par fatigue d’un bimétal acier-nickel
(Fatigue damage of a steel-nickel bimaterial)

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Auteur(s):  Bultel, Hélène
Date de soutenance : 04/02/2011
Éditeur(s) : Université Lille1 - Sciences et Technologies 

Langue : Français
Directeur(s) de thèse :  Vogt, Jean-Bernard
Laboratoire : Unité matériaux et transformation (UMET)
Ecole doctorale : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq)

Classification : Génie chimique, technologies alimentaires
Discipline : Molécules et Matière Condensée
Mots-clés : Moules de verrerie
Acier au carbone -- Fatigue thermique -- Fissuration
Nickel -- Alliages -- Fatigue thermique -- Fissuration
Élastoplasticité -- Modèles mathématiques
Élastoviscoplasticité -- Modèles mathématiques
Métallurgie des poudres
Microstructure (physique)

Résumé : Dans le cadre d’une amélioration des procédés de fabrication du verre, Arc International a engagé un programme de recherche sur l’optimisation de la fabrication de moules de verrerie bimétalliques. Le sujet de la thèse constitue une contribution à ce projet et apporte réponses et compréhension de plusieurs questions. Tout d’abord, la sollicitation subie par les moules de verrerie en terme de variations de température a été étudiée, ce qui a permis de localiser les zones sensibles à l’endommagement dont l’origine est la fatigue thermique. Des analyses métallographiques combinées à des essais de fatigue ont prouvé que l’endommagement provient de l’interface entre le substrat en acier doux et le revêtement en alliage de nickel, à cause de la faible résistance à la fatigue oligocyclique du substrat. Une alternative au substrat initial a été proposée et l’impact du procédé de recouvrement sur les matériaux en présence a été étudié. Le procédé utilisé pour revêtir le moule provoque des transformations de la microstructure : l’acier devient ferritique-perlitique, tandis que le revêtement se transforme en une matrice métallique base nickel dans laquelle des borures Ni3B sont dispersés. Une zone intermédiaire se forme entre l’acier et l’alliage de nickel et comprend deux bandes de solution solide résultant de l’interdiffusion fer-nickel. La résistance des matériaux candidats a été étudiée sous sollicitation cyclique en traction-compression à déformation totale imposée à 450°C; l’endommagement par fatigue de l’acier 4130 est essentiellement du à l’accommodation cyclique des grains de ferrite. L’alliage de nickel présente une très mauvaise tenue à la fatigue oligocyclique. L’étude du comportement en fatigue de l’assemblage substrat + revêtement a permis d’établir le rôle de la zone intermédiaire dans le mécanisme de fissuration par fatigue en identifiant les étapes d’amorçage et de propagation de la fissure. Enfin, un modèle en éléments finis de l’endommagement mécanique cyclique a ensuite été mis en place, afin d’ébaucher une description de l’endommagement du matériau substrat. Le modèle utilisé est un modèle élastoplastique cyclique non linéaire. Une étude a pu être menée jusqu’à la prédiction de la durée de vie d’un moule monolithique en matériau substrat dans les conditions du modèle.


Résumé (anglais) : Arc International, worldwide leader of tableware, has developed a research program concerning optimization of bimetallic glass mould making. This PhD thesis contributes to this project by answering and explaining some questions upon this project. First of all the thermal solicitation imposed to the moulds has been studied, which permitted localize the critical zones when it comes to thermal fatigue damaging. Metallographic analyses and fatigue tests led to prove that fatigue damaging initiates at the interface between the substrate composed of a soft steel and the coating composed of a nickel alloy, due to low cycle fatigue resistance of the substrate. An alternative material for the substrate part has been proposed, and the coating process impact on both materials has been studied. Coating process leads to changes in the microstructure of the component: the steels become ferritic-pearlitic, and the nickel alloy becomes a nickel-based solid solution matrix in which nickel borides are dispersed. An intermediate zone is formed, which is composed of two bands of solid solution resulting from nickel-iron interdiffusion. Fatigue resistance of the materials has been studied under strain control in a fully push-pull mode at 450°C; fatigue damage of 4130 steel is essentially due to cyclic accommodation of ferrite grains. Fatigue resistance of is very weak. Fatigue behaviour study of the assembly “substrate + coating” permitted to demonstrate the role of the intermediate zone in fatigue cracking mechanisms by identifying the crack initiation and propagation steps. At last, a finite elements model of cyclic mechanical damage has been put on, using a non linear cyclic elastoplastic model, in order to describe the damaging of the substrate material. A study has been carried on fatigue life prediction of a monolithic steel mould in certain conditions.


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