Relationship between microstructure and fatigue of a ferritic steel employed in automotive industry : development of damage criteria

Dans un contexte international de réduction des émissions de CO2, le groupe VALEO, soutenu par l’ADEME, développe de nouveaux alterno-démarreur permettant d’assurer des fonctions telles que le « Start-Stop ». La géométrie complexe et les nouveaux profils de mission entrainent une sollicitation par fatigue des ventilateurs de l’alterno-démarreur, dont la durée de vie est, en l’état actuel des connaissances, difficile à prévoir. L’amélioration de la fiabilité des composants passe donc par une analyse des mécanismes d’endommagement cyclique du matériau qui constitue l’objectif de la thèse. Les travaux ont été dirigés selon trois axes. Tout d’abord le comportement de l’acier ferritique a été étudié sur éprouvette de laboratoire en fatigue oligocyclique sous différents chargements (influence de la déformation moyenne, de la vitesse de déformation, de l’introduction d’un temps de maintien). Puis, une étude microstructurale basée sur l’imagerie MET et l’EBSD a permis de comprendre et d’évaluer l’endommagement plastique cyclique du matériau sur éprouvette de laboratoire comme sur composants réels, avant et après utilisation. Cette analyse a conduit à la construction d’indicateurs d’endommagement basés sur les évolutions de la microstructure des éprouvettes après chargement cyclique et le lien avec la durée de vie a été fait. Au final, les informations récoltées ont été utilisées afin d’améliorer la modélisation du comportement du matériau utilisée dans le logiciel de calcul par éléments finis ANSYS®. Ainsi, une loi matériau mieux adaptée a été choisie, à savoir le modèle d’écrouissage mixte de Chaboche, et les paramètres associés ont été identifiés.In the international context of CO2 emissions reduction, VALEO, supported by the French Environment and Energy Agency, develops new car alternators allowing the “Start-Stop” function. Due to their specific geometry and the complex loading conditions, alternator cooling fans are subjected to fatigue damage. Their life time, based on current knowledge, is difficult to assess. A better reliability of the component depends on the understanding of the cyclic damage mechanisms of the material and this is the aim of the PhD thesis.The work followed three axes. At first, fatigue behaviour of the ferritic steel was studied on lab specimens and by means of Low Cycle Fatigue tests. They were carried out under different loading signals, studying the influence of mean strain, of strain rate or of a holding time. Then, a TEM study on one hand, and EBSD investigations on the other hand, focused on the microstructure, allowed to understand and to estimate cyclic plastic damage of the lab specimens, as well as of the fans (before and after cycling in real using conditions). Through this study, damage criteria based on the evolutions of the microstructure have been built and a relationship with the life time has been established. At the end, fatigue information was used in order to improve the material database of the commercial Finite Elements Method (FEM) software called ANSYS®. A better representation of the fatigue behaviour of the material was proposed through the Chaboche model