Analysis of the relation between microstructure, mechanical loading and fracture during cross tensile test of a martensitic stainless steel resistance spot weld
Analyse du lien entre microstructure, chargement mécanique et fissuration lors de la traction en croix de soudures par point par résistance d'un acier inoxydable martensitique
Résumé
Martensitic stainless steels are good candidates for the ongoing challenge of vehicle weight reduction. However, these steel grades are particularly sensitive to resistance spot welding conditions. The present work investigates the relation between the weld fracture mode, microstructure and mechanical loading, in order to find ways to improve weld performance.The improvement produced by using a tempering stage, included in the welding cycle, did not change the cross-tension fracture mode, which stayed partially interfacial. We then developed an experimental procedure to determine the fracture path of cross tension specimens, using interrupted tests. These results, combined with observations of the fracture surfaces, contributed to the determination of a fracture scenario. The key steps during partial interfacial failure of these welds were the initiation of interfacial cleavage crack propagation in the fusion zone, and the ductile shear failure of the heat affected zone ligament above or below the weld nugget. The mechanical analysis of the loading conditions at the crack tip, using finite element modelling, showed that the mechanical loading induced by a cross tensile test would theoretically induce early crack deviation toward a button pull-out failure. However, the potential crack deviation angle is not tightly constrained, which lets the microstructure lead the local deviation angles of the cleavage crack. Finally, a detailed microstructural characterization of the weld regions was carried out, in order to identify the features that control crack propagation during the identified key steps. Surprisingly, the microtexture was not a first-order factor; the resistance to cleavage cracking seems to be driven by efficient trapping of carbon solute atoms outside the solid solution.
Les aciers inoxydables martensitiques représentent une solution potentielle au challenge d’allègement des structures automobiles. Cependant, ces nuances sont particulièrement sensibles aux conditions de soudage par point par résistance. Ces travaux de thèse s’intéressent donc au lien entre mode de rupture, microstructure et chargement mécanique, afin de proposer des pistes d’amélioration ciblées. Tout d’abord, l’amélioration apportée par un revenu ne change pas le mode de rupture en traction en croix, qui reste partiellement interfacial. Une méthode expérimentale a alors été développée pour caractériser le chemin de fissuration suivi au cours de l’essai, à l’aide d’observations après des essais interrompus. Ces résultats, combinés à des études fractographiques, permettent d’établir un scénario de fissuration, dont les étapes clés sont l’amorçage de la rupture interfaciale par clivage dans la zone fondue et la rupture ductile en cisaillement du ligament de zone affectée thermiquement. L’analyse du chargement mécanique en pointe de fissure, à l’aide de la simulation numérique, a été associée à un critère de déviation en contrainte tangentielle maximale. Elle montre que les sollicitations appliquées lors de l’essai en croix tendent à faire dévier la fissure hors du plan interfacial mais que la mécanique est assez peu restrictive quant à l’angle de déviation. La microstructure peut donc jouer un rôle important sur l’orientation de la fissure de clivage. L’obtention d’une propagation partielle à l’interface est donc le produit de la microstructure, tandis que la déviation est le produit des sollicitations mécaniques. Enfin, la caractérisation microstructurale des différentes soudures élaborées a permis de déterminer les éléments microstructuraux qui contrôlent la rupture dans nos régions d’intérêt. La microtexture n’est pas le facteur primordial, contrairement au piégeage du carbone hors de la solution solide.
Origine : Version validée par le jury (STAR)