Dimensionnement en fluage - mms2

Comportement mécanique à chaud

Introduction Mécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementComportement mécanique à chaudDe nouveaux mécanismes physiques activés thermiquement- déformation- évolution de la microstructureDes essais spécifiques : déformation dépendant du temps- comportement « viscoplastique »- compétition entre mécanismes de déformationComment utiliser / contrer cette déformation- estimer la durée de vie d’une pièce- limiter la déformation viscoplastique2

Introduction Mécanismes physiques Données expérimentales Dimensionnement« Chaud » ?Effet significatif de l’agitation thermique sur les phénomènes de diffusiontransport accéléré de matièreen pratique : T > 0,3 T fusion voire 0,5 T fusionRôle de la diffusion :- modification des obstacles au glissement des dislocations- contribution directe à la déformation à haute température- évolution de la microstructure (dislocations, précipitation...)le matériau va tendre plus vite vers un état d’équilibreRappel : la diffusion est activée thermiquementexemple : probabilité de présence d’une lacune : exp(-∆H/kT)3

Introduction Mécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementMécanismes physiques de déformation (1/3)Une compétition permanente entre plusieurs mécanismes possibles :- déformation élastique : ε el = σ / E énergie potentielle !- glissement des dislocationsobstacles à courte distance (frottement) : franchissement thermiquement activé« viscoplasticité à froid » : covalents, métaux de structure CCexemple : aciers faiblement alliés (construction, gazoducs...)leur limite d’élasticité double entre 20°C et –196°C !obstacles à longue distance : forêt, précipités...« viscoplasticité à chaud »4

Introduction Mécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementMécanismes physiques de déformation (2/3)- montée des dislocationsajout d’unerangéede lacunesla dislocation s’est déplacée hors de son plan de glissementelle peut passer certains obstaclesseul déplacement possible aux joints de grains(« glissement intergranulaire »)5

Introduction Mécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementMécanismes physiques de déformation (3/3)- transport de matière par diffusion (basse contrainte)- à basse température : aux interfaces (joints de grains)- à haute température : dans les grains (diffusion de réseau)depuis les zones en compression vers les zones en tractionforte dépendance envers la taille de grains :- au cube pour la diffusion dans les joints de grains- au carré pour la diffusion de réseaule gros grain limite le fluage diffusionnel6

Introduction Mécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEvolution de la microstructure (1/3)Restaurationmétaux à forte énergie de défaut d’empilementpolygonisation : regroupement des dislocations en cellulesdans les cellules : très peu de dislocationsmurs (sous-joints) : désorientation de quelques degrés500 nmaugmentation progressive des désorientations nouveaux joints de grains7

Introduction Mécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEvolution de la microstructure (2/3)Recristallisationmétaux à faible énergie de défaut d’empilement, très fortes déformationsgermination et croissance de nouveaux grains dans la structure déforméemoteur : libération de l’énergie élastique contenuedans le cœur des dislocationsrésultat : effacement de l’écrouissage, modification de la texture,restauration de la déformabilité100 µm 100 µm 100 µmstructure déforméegermination et croissancede nouveaux grainsstructure recristallisée8

Introduction Mécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEvolution de la microstructure (3/3)Evolution vers une microstructure à l’équilibre- restauration/ recristallisation de la matrice- apparition / grossissement de nouvelles phasesparfois aux dépens d’une fine précipitation durcissanteEffets possibles :- perte de durcissement : déformation ou rupture prématurée(exemple : aciers 9-12%Cr pour centrales thermiques)- gain en durcissement (exemple : carbures dans les aciers inoxydables)- fragilisation (phases grossières = amorces de rupture)9

Introduction Mécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEndommagementLa déformation à chaud peut être endommageante- diffusion de... lacunes !- regroupement possible de ces lacunes cavités- croissance et coalescence de ces cavitéssouvent aux interfaces : continuité entre cavités- chute de la déformation à rupture : 50% quelques % !Ruptureintergranulaire10 µmAcier 9%Cr, T = 625°CV. Gaffard et coll., Int. J. Fract. 133 (2005), 149Acier inoxydable 316 LN, T = 600°CQ. Auzoux et coll., Nucl. Eng. Des. 235 (2005), 223810

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementMise en évidence de la déformation viscoplastiqueDeux types d’essais privilégiés :Fluage- contrainte (charge) constante- évolution de la déformation au cours du temps- essais longs (unité = 1000h), machines simples et robustesRelaxation- déformation totale constante- évolution de la contrainte au cours du temps11

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementChargement contrôlépuis maintien de la chargeEssais de fluageF/SoEvolution de la déformation au cours du tempstempsG.E. Dieter : "Mechanical Metallurgy", McGraw-Hill Book Company (1988)12

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEssais de fluage3 stades de fluagePrimaire : effacement de l’histoire du chargementécrouissage du matériau : il se déforme de moins en moins viteSecondaire : état stationnaire- équilibre dynamique entre restauration et écrouissage- vitesse de déformation minimaleTertiaire : accélération du fluage- effet de structure (la contrainte augmente car la section diminue)- effet d’endommagement (cavités)- effet de vieillissement du matériau (adoucissement)13

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEssais de fluageModélisation du fluage secondaire∆H : énergie d’activation du mécanisme contrôlant la déformationn = 1 à 7 : fort effet de la contrainteallongement (%)acier 9Cr-1Mo-Nb-V, T = 625°CV. Gaffard et coll., Int. J. Fract. 133 (2005), 143temps (h)14

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEssais de fluageModélisation du fluage secondaire10 -2ε (%/h)10 -310 -410 -510 -6 1 10 100 1000V. Gaffard et coll., Int. J. Fract. 133 (2005), 144F/So (MPa)15

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEssais de fluageModélisation du fluage secondaire(Norton)Indication sur les mécanismes de déformationexposant nn ≈ 1 : fluage diffusionnel (déformation par diffusion)n > 3 : fluage dislocationsdéformation par glissement + montée des dislocationsénergie d’activation ∆H : mécanisme de diffusion limitant∆H élevée : diffusion dans le réseau∆H plus faible : diffusion aux interfaces et dans les dislocations16

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEssais de fluageτ/µ(T)Cartes de mécanismes de déformation10 -2PLASTICITE10 -310 -410 -510 -610 -1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1(basse T) (haute T)FLUAGE DISLOCATIONSFLUAGE DIFFUSIONNELdiffusion aux joints / dans le réseauT/T fusionRECRISTALLISATIONDYNAMIQUELigne d’iso-vitessede déformationH.J. Frost, M.F. Ashby,Deformation-mechanism maps,Pergamon, Oxford, 198217

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEssais de fluageExemples de carte « d’Ashby »Métal de structure cubique centréeles données expérimentales...la carte ajustée pour une taillede grains de 100 µmH.J. Frost, M.F. Ashby, Deformation-mechanism maps, Pergamon, Oxford, 198218

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEssais de fluageExemples de carte « d’Ashby »Alumine : même type de cartemais fort effet de vitesse en plasticitéet températures caractéristiquestrès élevéesH.J. Frost, M.F. Ashby,Deformation-mechanism maps,Pergamon, Oxford, 198219

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEssais de fluageExemples de cartes « d’Ashby »Métaux, taille de grains 100 µmCarte en 2D : ZnIso-vitesse dans la 3e dimension : NiH.J. Frost, M.F. Ashby, Deformation-mechanism maps, Pergamon, Oxford, 198220

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementEssais de relaxationDéplacement contrôlé puis maintien àdéplacement constantEvolution de la contrainte nominaleau cours du tempsDéplacement du vérinF/Sotempsε totale = ε él + ε viscoplau cours du temps, ε viscoplet ε éltempsε el = σ / EσExemple : perte de serrage sur assemblages boulonnés21

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementDimensionnement pour utilisation à haute températurePrévoir la déformation viscoplastique et le risque de rupture exemple du fluageAméliorer les matériaux- les renforcer vis-à-vis de la déformation à chaud- utiliser le fluage ?22

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementCourbes contrainte-temps à ruptureDimensionnement en fluagecontrainte de traction (MPa)contraintesupportabledurée de vie viséet R (h)23

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementDimensionnement en fluageCourbes contrainte-temps à déformation donnéestabilité dimensionnellecontrainte de traction (MPa)contraintesupportablet (h)durée de vie viséeG.E. Dieter : "Mechanical Metallurgy", McGraw-Hill Book Company (1988)24

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementDimensionnement en fluageEvaluation du temps à rupture et de la ductilité à l’aide des essais de fluage.loi de Monkman-Grant : ε s . t Rα = constante = ε MG.ε s : déformation minimale (fluage secondaire)t R : temps à ruptureα ≈ 1ε MG est constante à mécanisme de fluage et de rupture constantsCorollaire : t R ~ σ 1/n25

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementDimensionnement en fluageEquivalence temps-température : paramètre de Larson et Millerε& =Ae∆H−kT à déformation fixée : ln tOn remplace l’échelle des temps par le paramètre=lnε+A∆HkTsoitln t= −C1+∆HkTP = T(ln t R + C 1 ) = f(σ) avec f « simple » courbes maîtresses... à iso-mécanisme != ∆H/k26

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementDimensionnement en fluageAutres phénomènes à prendre en compte :- vieillissement du matériauessais longs : le matériau est-il constant ?modification possible des mécanismes de fluage- effets d’environnement : corrosion, irradiation...couplage entre fluage et corrosionrisque de fissuration fragile des joints de grains27

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementAmélioration des matériaux pour utilisation à haute températureDéformabilité haute températuremettre en forme par fluage non endommageant« superplasticité » : diffusion dans les joints de grainsmatériaux à très petits grains (~ µm), déformation lenteExemple : forgeage lent de pièces pour l’aéronautique- alliages de titane (peu déformables à froid)- superalliages base nickel (très durs)28

IntroductionMécanismes physiques Données expérimentales DimensionnementAmélioration des matériaux pour utilisation à haute températureLimiter la déformation par fluage- ralentir la restauration : structures de dislocations les plus stables possible- stabiliser cette structure : précipitation fine- carbures dans les aciers- phases intermétalliques ordonnées dans les superalliagescf. aubes de turbine (chapitre « Microstructures »)- renforcement par dispersion d’oxydes (nanocomposites)- laisser grossir les grainsmétaux cubiques centrés : risque de fragilité à froid29

IntroductionMécanismes physiquesDonnées expérimentalesDimensionnementUtilisation des matériaux à haute température : conclusionsTous les matériaux solides s’écoulent à chaud !- perte de dimensions- risque de rupture prématuréeMécanismes de déformation activés thermiquement (diffusion)Phénomène fortement dépendant de la contrainte, de la températureet de la microstructure (notamment : taille de grains à faible contrainte)Les matériaux organiques sont également touchésOptimisation : compromis entre propriétés en fluage et résistance mécanique à froiden fonction de l’utilisation du matériau30