Thermomechanical behaviour of spheroidal graphite cast iron for exhaust manifold.
Comportement thermomécanique de fontes à graphite sphéroïdal pour collecteurs d'échappement
Résumé
The increased output of automotive engines leads to higher temperature levels in exhaust manifolds. The ferritic cast irons (GS50 and SiMo) used by RENAULT experience microstructural evolutions at high temperature (800oC), that can be detrimental for their resistance. Rather than choosing more expensive higher grade materials, the better knowledge of the microstructural evolutions of GS cast irons and their behaviour would allow the optimisation of the component towards a compromise between light weight and reliability. Three main damage mechanisms were identified in a survey of bench-tested manifolds: oxidisation, decarburisation and phase transformation. They have been quantitatively investigated by isothermal and thermal cycling testing. The oxidisation and decarburisation kinetics were determined for various temperatures. Owing to the knowledge of these ageing mechanisms, specimens whose microstructures were similar to those observed were produced. As-cast and aged materials were compared in a testing program including dilatometry and low cycle fatigue tests. The parameters of constitutive equations for elastic-visco-plastic behaviour were identified for the as cast and aged materials. Results of thermal fatigue models, using the constitutive behaviour identified from isothermal tests, were in good agreement with experimental data. Thermo-mechanical analyses of partly decarburised specimens compared well with testing results, showing that the model can be applied to components of complex geometry, such as exhaust manifolds.
L'augmentation des performances des moteurs conduisent à un accroissement des températures dans les collecteurs d'échappement. Les fontes ferritiques, GS50 ou SiMo, utilisées par RENAULT présentent des évolutions microstructurales à température élevée (800oC) qui peuvent compromettre leur résistance. Plutôt que d'adopter des matériaux plus résistants, mais plus chers, une meilleure connaissance des évolutions microstructurales des fontes GS et de leur comportement permettraient d'optimiser la géométrie des pièces dans la recherche d'un compromis légèreté-fiabilité. Une expertise de collecteurs vieillis sur banc, comparés aux mêmes pièces à l'état brut, a permis de recenser trois principaux modes d'endommagement : oxydation, décarburation et transformation de phases. Ils ont été étudiées par des essais de vieillissement isotherme et anisotherme. Les cinétiques d'oxydation et de décarburation ont été déterminées à différentes températures. La connaissance des mécanismes de vieillissement ont permis de reproduire sur des éprouvettes massives certaines des microstructures observées. Les matériaux décarburés et bruts de coulée ont été comparés lors d'essais de dilatométrie et de fatigue oligocyclique. Et des lois de comportement élasto-viscoplastiques des nuances brutes et vieillies ont été identifiées. Des essais de fatigue thermique ont été simulés avec une bonne précision à partir des lois de comportements déterminées par des essais isothermes. Les résultats de simulation d'essais thermomécaniques sur des matériaux en partie décarburés, effectués sur une géométrie simple, sont suffisamment satisfaisants pour envisager d'étendre ces calculs à des collecteurs d'échappement.