Étude du comportement et de la fatigue d'un acier inoxydable ferritique en environnement thermomécanique et vibratoire - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2015

Constitutive behavior and fatigue analysis of a ferritic stainless steel under thermomechanical and vibratory loadings

Étude du comportement et de la fatigue d'un acier inoxydable ferritique en environnement thermomécanique et vibratoire

Abstract

In the automotive industry, non-linearities such as vibration or friction coupled with the non-linear behavior of materials tend to create new fatigue problems for structures undergoing thermal-mechanical loadings. As combustion temperature increases while engine mass need to decrease, thick cast-iron is often replaced by thin stainless steel sheet to produce exhaust manifolds. This solution is more sensitive to engine vibrations and therefore presents a risk of damage by high temperature vibration fatigue, which need to be studied in the design process. The first objective is then to predict the mechanical behavior of the elastic-viscoplastic stainless steel AISI 441 under complex loading conditions. A large experimental database is obtained at 300°C for different loading frequencies and stress amplitudes to perfectly understand the different mechanisms controlling the response of steel sheets. Strains are monitored with a high speed camera which enables to rebuild strain-stress curves in order to study the inelastic behavior of the stainless steel for a wide range of stress rates. Standard constitutive models are proven to be unable to correctly describe the behavior of the material under a high frequency loading. Improvements are proposed to characterize more precisely the steel behavior. At the same time, an experimental protocol is developed to characterize the impact of an elasto-viscoplastic pre-stress on the modal basis of a structure. Then, a calculation method for Dang Van criteria based on modal projection is finally developed and detailed. This method enables to reduce the calculation time of the fatigue life-time of complex structures using its modal basis.
Dans l’industrie automobile, des non linéarités telles que les vibrations ou le frottement couplés à un comportement non linéaire des matériaux créent des risques de fatigue pour les structures soumises à des chargements thermomécaniques. Comme les températures de combustion augmentent alors que la masse tend à diminuer, la fonte est remplacée par des tôles d’acier inoxydable dans les collecteurs d’échappement, qui sont alors sensibles aux vibrations induites par le moteur. Ils présentent ainsi un risque de fatigue vibratoire à haute température qui nécessite d’être étudié dans le processus de dimensionnement. Le premier objectif est de prédire le comportement mécanique de l’acier inoxydable ferritique AISI 441 sous des chargements complexes. Une base de données expérimentale complète est obtenue à 300°C pour différentes fréquences et amplitudes de contraintes. Les déformations sont mesurées à l’aide d’une caméra ultra rapide permettant de reconstruire les courbes contrainte-déformation sur une large gamme de fréquence. Les modèles de comportement standards ont alors montré qu’ils étaient incapables de décrire le comportement de l’AISI 441 pour des chargements à fréquence « élevée ». Des améliorations sont proposées afin de caractériser plus précisément son comportement. En parallèle, un protocole expérimental est développé pour caractériser l’impact d’une pré-contrainte élasto-viscoplastique sur la base modale d’une structure en AISI 441. Une méthode de calcul du critère de Dang Van basée sur la projection modale est finalement développée et détaillée. Elle permet un gain de temps conséquent sur le calcul de la durée de vie de structures en utilisant leur base modale.
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Dates and versions

tel-01419635 , version 1 (19-12-2016)

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Cite

Agathe Forre. Étude du comportement et de la fatigue d'un acier inoxydable ferritique en environnement thermomécanique et vibratoire. Mécanique des structures [physics.class-ph]. ENSTA ParisTech, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01419635⟩
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