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Article Dans Une Revue Bulletin du cercle d'études des métaux Année : 2000

Life prediction of hot work tool steels subjected to thermomechanical fatigue

Prédiction de la durée de vie sous sollicitations thermomécaniques des outillages en acier travaillant à chaud

Résumé

Surface of hot work tools is damaged by complex thermomechanical-wear-reacti-ve environment interactions. A thermomechanical fatigue (TMF) experiment using tubular spe cimens is developed. Tests are carried out under out-of-phase thermomechanical cycle. The mechanical strain is minimum (εm min) at upper temperature (Tmax) and it is maximum (εm max) at lower temperature (Tmin) of thermal cycle. The behaviour, the damage and the fatigue life of two tempered martensitic steels X38CrMoV5 (AISI H 11) and 55NiCrMoV8 (47 HRC) are assessed. The effect of Tmin and Tmax is examined. Softening is observed for both steels. For a given mechanical strain amplitude (εm = εm m ax-Em min), a drastic dependence on Tmax is demonstrated, while Tmin has less important effect. X38CrMoV5 has a better TMF life. Ductile fatigue striations are observed on the fracture surface of X38CrMoV5 specimens. The fracture surface of 55NiCrMoV8 specimens is covered by oxidation, making difficult to reveal the fatigue striations. Both oxide cracking and spalling are observed on the external surface of specimens. A phenomenological power law uniaxial model, based on the mechanical strain amplitude and Tmax, εm = K(Tmax).Nfα(Tm ax), is proposed to predict the life under non-isothermal fatigue solli citations. The life of some thermal fatigue tests is predicted within a factor of two to three. The capability of the model to predict the critical regions of an industrial hot work tool is reported.
La surface des outillages travaillant à chaud s 'endommage p a r des interactions complexes de la sollicitation thermomécanique-usure-environnement réactif. Un essais de fatigue thermomécanique (FTM) utilisant des éprouvettes tubulaires a été mis au point. Les essais ont été menés sous cycles thermomécaniques hors-phases. La déformation mécanique est respectivement minimale (εm min) lorsque la température est maximale (Tmax) et est maximale (εm max) lorsque la température est minimale Tmin). La vitesse de chauffage et de refroidissement est d 'environ 4 ° C/s. Le comportement, l'endommagement et la durée de vie de deux aciers martensitiques revenus X38CrMoV5 (AISI H I I) et 55NiCrMoV8 (47 HRC), sont étudiés. L 'adoucisse ment cyclique est observé dans les deux aciers. Pour un niveau de l 'amplitude de déformation donné (εm = em max, em min), une très forte dépendance de la durée de vie à Tmax est observée, alors que Tmin a un moindre effet. L 'acier X38CrMoV5 a une meilleure durée de vie sous les mêmes conditions de sollicitations. Les stries de fatigue observées sur les faciès de rupture de X38CrMoV5 révèlent donc le caractère ductile de la propagation de fissure. Les faciès de rupture de l 'acier 55NiCrMoV8 sont couverts d 'une couche d 'oxyde qui rend difficile la détection des stries de fatigue. La fissuration de la couche d 'oxyde ainsi que l'écaillage sont observés sur la surface externe des éprouvettes. Un modèle phénoménologique uniaxial, de type puissance, basé sur l 'amplitude de la déformation mécanique et Tmax, εm = K(Tmax). Nf α(Tmax), est proposée pour prédire la durée de vie sous des sollicitations anisothermes. La durée de vie en fatigue thermique ou thermomécanique de certains essais réalisés au laboratoire est prédite à un facteur 2 à 3. La capacité du modèle à prédire et identifier les régions critiques d 'un outil de forge industriel est montré.
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hal-01847831 , version 1 (06-11-2019)

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Citer

Alexis Oudin, Luc Penazzi, Farhad Rezai-Aria. Life prediction of hot work tool steels subjected to thermomechanical fatigue. Bulletin du cercle d'études des métaux, 2000, 17 (1), p.VII1-VII7. ⟨10.1051/mattech/200088120067s⟩. ⟨hal-01847831⟩
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