Modeling the cyclic behavior and service life of martensitic tool steels
Modélisation du comportement cyclique et de la durée de vie d'aciers à outils martensitiques
Résumé
This work is a contribution to the description of the behavior and the assessment of the fatigue life of hot work tool steels.For that purpose, a methodology was implemented involving two complementary parts that are the investigation of behaviorand lifetime models adapted to tempered martensitic steels. The cyclic behavior of X38CrMoV5 (47HCR) and 55NiCrMoV7 (42HCR) steels was studied under various load and temperature conditions. The influence of the strain rate and strain amplitude, of the dwell times within cycles as well as ratcheting or plastic accommodation effects for stress controlled tests, were taken into account in the modeling. Two models (ONERA, 2M1C) formulated in the framework of the irreversible processes of thermodynamics were considered. After their presentation, they were identified successfully by complexity level growing, according to the kind of loads taken into account. Compared with ONERA model, 2M1C model allows a better description both of strain controlled and stress controlled stress tests. Moreover, the two different mechanisms included in the model were related to the microstructural evolutions (dislocations and carbides) identified in low cycle fatigue. Two validations were performed providing interesting results: the first one, in an isothermal case, performed on different notched specimens under displacement controlled tests, the second one, in a non-isothermal case, related to thermal fatigue tests carried out in a co-operative project with the KARLSTAD university (Sweden). Fatigue life investigation of X38CrMoV5 steel was addressed in a second part. In order to cover the loading conditions of the hot forming processes, LCF tests were carried out to complete an existing database. The initiation and propagation mechanisms induced by fatigue relaxation test at the temperature of 560°C were investigaded. A non isothermal continuum damage model (ONERA) was identified. Analysis of experimental results do not reveal time dependant damage mechanisms, so only a fatigue damage component was activated in the model. The last part of this work relates to the lifetime model validation. The predictions provided by the model were compared with the number of cycles to failure resulting from LCF and TMF tests obtained in a previous work.
Ce travail constitue une contribution visant à décrire le comportement et prédire la durée de vie en fatigue d'aciers à outils pour travail à chaud. Pour y parvenir, la méthodologie suivie, s'articule autour de deux parties complémentaires qui sont l'étude de modèles de comportement et de durée de vie adaptés aux aciers martensitiques revenus. Le comportement cyclique des aciers X38CrMoV5 (47HCR) et 55NiCrMoV7 (42 HCR) a été étudié dans différentes conditions de sollicitations et de température. L'influence de la vitesse et de l'amplitude de déformation, des temps de maintien dans les cycles ainsi que les effets de rochet ou d'accommodation plastique pour des essais pilotés en contrainte ont été inclus dans la modélisation. Deux modèles (ONERA, 2M1C) s'inscrivant dans le cadre des processus irréversibles de la thermodynamique ont été considérés. Ils ont été présentés et identifiés avec succès par niveau de complexité croissant selon les types de sollicitations pris en compte. Comparé au modèle ONERA, le modèle 2M1V permet les meilleures descriptions des essais en déformation et des essais à contrainte imposée. En outre,deux mécanismes différents issus du modèle ont été rattachés aux évolutions de microstructure (dislocations, carbures) identifiées en fatigue oligocyclique. Deux étapes de validation ont ensuite été menées fournissant des résultats encourageants: la première, dans une configuration isotherme à l'aide d'essais à déplacement imposé réalisés sur des éprouvettes à concentration de contraintes, la deuxième anisotherme à partir d'essais de fatigue thermique menés conjointement avec l'université de KARLSTAD (Suède). L'étude de la durée de vie de l'acier X38CrMoV5 a été abordée dans une deuxième partie. Afin de couvrir une large gamme de sollicitations comparable à celle induite dans les procédés de mise en forme à chaud, des essais LCF ont été effectués pour compléter la base expérimentale existante. Les mécanismes d'amorçage et de propagation en fatigue relaxation à 560°C ont de plus été étudiés. Enfin, un modèle d'endommagement continu anisotherme de type ONERA a été identifié. L'analyse des résultats expérimentaux utilisés lors de l'identification n'a pas fait apparaître de mécanisme dépendant du temps, aussi seule la composante d'endommagement de fatigue a été activée dans la modélisation. La dernière phase de cette étude concerne la validation du modèle de durée de vie. Les prédictions fournies par le modèle ont été comparées avec le nombre de cycles à rupture issu d'essais LCF et TMF d'un précédent travail.