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Trois nuances de fonte sollicités en fatigue thermique sur la machine thermocracks.

Une bonne tenue aux chocs thermiques est un enjeu majeur pour certaines applications à haute température (pièces, outillages de transformation à chaud) car c’est souvent l’endommagement par fatigue thermique qui limite la durée de vie des pièces. Le choix du bon matériau grâce à la capacité à le tester sur une machine de laboratoire dédiée, est essentiel pour optimiser cette durée de vie. La machine de fatigue thermique ThermoCracks développée par CTIF permet de résoudre ce problème.

La fatigue thermique

Disque de frein de poids lourd avec fissuration en surface

La fatigue thermique est une sollicitation thermomécanique dans laquelle une pièce est soumise à d’importantes variations, cycliques et relativement rapides, de température. De nombreuses pièces (disques et tambours de frein, pièces de moteur d’automobile ou d’avion, … ) et outillages de travail à chaud (forge, fonderie, verrerie, lingotières, …) sont ainsi soumis à de la fatigue thermique. En général, la surface de la pièce est la plus sollicitée avec les gradients thermiques les plus importants. La fatigue thermique conduit à des sollicitations de traction-compression alternées qui génèrent de la dégradation par faïençage (réseau de fissurations qui se propagent en surface, mais aussi en profondeur).

Contrainte de fatigue thermique

La sollicitation en fatigue thermique sera d’autant plus importante que les gradients thermiques seront sévères (et donc que la conduction de la chaleur sera lente vers les zones plus froides) et que les déformations seront importantes pour une élévation de température donnée. La tenue en fatigue thermique d’un matériau sera donc d’autant meilleure que sa conductivité thermique λ sera élevée et que le coefficient de dilatation thermique α sera faible. Les performances d’un matériau en tenue à la fatigue thermique peuvent donc en première approche être considérées comme proportionnelles au rapport λ/(E ×α), E étant le module d’Young du matériau. Le design de la pièce aura également une influence déterminante sur la durée de vie, en limitant les gradients thermiques et les concentrations de contraintes locales par des épaisseurs homogènes.

Des bancs d’essai sur pièces

Fissure de chocs thermique sur éprouvette en fonte (micrographie sur coupe)

La difficulté de mise au point d’un essai sur éprouvette représentatif de la fatigue thermique a poussé les bureaux d’études à développer des bancs d’essais spécifiquement dédiés à un type de pièce bien précis. Ce type de banc est beaucoup utilisé dans l’industrie automobile : bancs d’essais pour solliciter thermiquement les collecteurs d’échappement et les carters de turbine (où les gaz d’échappement sont simulés par des chalumeaux oxy-acétylène), bancs d’essai de freinage. Les culasses en alliage d’aluminium (réalisées en moulage coquille ou basse pression) sont également testées sur des bancs dédiés afin d’estimer par exemple la tenue des zones de pontets inter-soupapes, très sollicités en fatigue thermique en service.

ThermoCracks – Machine de fatigue thermique multi-postes

Les instruments de laboratoire généralement disponibles pour reproduire des sollicitations en fatigue thermique sont monopostes avec une seule éprouvette sollicitée à la fois. Ce type de montage avec des éprouvettes cylindriques peu contraintes permet de comprendre et maitriser finement les phénomènes (instrumentation, …) au niveau de projet de R&D en amont. Par contre, cette configuration (une éprouvette et un montage mono-poste) nécessite un grand nombre de cycles thermiques qui permettent difficilement de conduire un plan de caractérisation avec un grand volume d’éprouvettes.

ThermoCracks – machine de fatigue thermique multipostes

La machine ThermoCracks, à contrario permet de solliciter plusieurs éprouvettes à la fois avec une concentration de contraintes dans l’éprouvette qui permettent de générer des fissures après un nombre de cycles limité.

Les éprouvettes sont chauffées par induction et sont refroidies par air ambiant (ou par air refroidi) avec un temps de cycle de l’ordre de 2 minutes.

La rotation se fait par pas de 45°, ce qui permet de monter 8 éprouvettes, chaque pas de rotation amenant une nouvelle éprouvette en zone de chauffe par induction.

Poste de chauffe par induction de l’éprouvette

La durée de l’arrêt devant l’inducteur permet de régler la température maximale atteinte (pour une puissance électrique donnée) et également la température en fin de refroidissement. La vitesse de refroidissement peut être réglée en ajustant la pression d’air comprimé. Les postes restant (hors induction) permettent à l’éprouvette de continuer à se refroidir.

L’ensemble des mouvements est contrôlé par des temporisations réglables. Les températures de l’éprouvette sont mesurées. La roue et l’ensemble des équipements (inducteur, circuits d’air de refroidissement, …) sont placés dans une enceinte fermée (porte grillagée), ce qui facilite le refroidissement et laisse les éprouvettes visibles de l’extérieur.

L’éprouvette de fatigue thermique

Eprouvette de fatigue thermique

L’éprouvette utilisée présente une géométrie ad hoc qui permet la tenue mécanique et une concentration de contrainte dans une zone spécifique. La géométrie de l’éprouvette répond à deux critères. Tout d’abord, assurer un bridage intrinsèque de la zone active, effectivement soumise aux sollicitations thermiques.

Puis, afin de diminuer les temps d’essais, il s’agit d’accroitre le niveau de sollicitation en concentrant les contraintes dans la zone active, tout en permettant une mesure de température.

La machine permet de comparer rapidement entre eux, différents matériaux ou des matériaux identiques mais élaborés de manière différente. Le résultat du test peut être le nombre de cycles nécessaires pour voir apparaître la première fissure ou pour atteindre une longueur de fissure donnée. Des essais dans différentes configurations matériaux/éprouvettes ont pu montrer la similitude de comportement entre l’éprouvette et la pièce qu’elle représente, avec des endommagements constatés identiques.