Study of the influence of punching process on the high cycle fatigue resistance of thin Fe-Si electrical steel sheets

Ces travaux de thèse sont consacrés à l’étude de l’influence du procédé de poinçonnage sur la résistance en fatigue à grand nombre de cycles de tôles minces ferromagnétiques. Étant donné leurs propriétés magnétiques améliorées, ces tôles en alliage fer-silicium sont de plus en plus utilisées pour la fabrication des moteurs électriques qui tournent à des vitesses élevées. En effet, les pertes magnétiques dans ces tôles sont réduites par l’augmentation de la taille de grain, la diminution de l’épaisseur en dessous du demi‒millimètre et l’ajustement du pourcentage de silicium. L’objectif de cette étude est d’élaborer une démarche de dimensionnement en fatigue HCF des pièces en tôles minces poinçonnées. La première étape de cette démarche est la caractérisation expérimentale du matériau étudié. Des essais de traction monotone quasi-statique et d’écrouissage cyclique en utilisant différentes conditions ont permis de déterminer les grandeurs caractéristiques de cet alliage et d’identifier un modèle de comportement mécanique cyclique utilisable pour les simulations par la méthode des éléments finis (EF). L’étude de la résistance en fatigue de cette tôle est réalisée en utilisant des géométries d’éprouvettes lisses et entaillées. Différents effets tel que le rapport de charge, la température (180°C) et le procédé sont ainsi étudiés. Étant donné son influence sur la tenue en fatigue, l’effet du procédé de poinçonnage est finement investigué. Les bords des éprouvettes de fatigue sont analysés en utilisant des techniques variées (observations microscopiques, profilométrie optique, micro‒dureté, diffraction des rayons X…). Ceci a permis d’identifier les mécanismes d’endommagement par fatigue des pièces en M330‒35A poinçonnées. Ensuite, différentes configurations d’éprouvettes sont utilisées pour quantifier l’influence des différents effets induits par le procédé tel que l’écrouissage, les contraintes résiduelles et les défauts géométriques sur la résistance en fatigue de l’alliage étudié. Les résultats des investigations sur les bords ont montré que l’amorçage des fissures est localisé sur un défaut de poinçonnage. Une stratégie qui permet d’identifier les défauts critiques est alors adoptée. Des simulations (EF) réalisées sur les défauts de poinçonnage ont permis de déterminer les champs mécaniques autour de ces défauts. Enfin, une stratégie de dimensionnement en fatigue qui s’appuie sur l’utilisation d’un critère de fatigue non‒local en post‒traitement des résultats des simulations par EF sur les défauts de poinçonnage est proposée.New electrical steel grades, with improved magnetic properties, are used to build electric motors. For these steel grades, the iron losses are reduced by adjusting the chemical composition (mostly the Si content), decreasing the thickness below 0.5 mm and increasing the grain size. The punching is used to produce electric motor components because it generates important alterations of sheet edges, this work aims at elaborating a HCf fatigue design strategy for thin punched electrical steel sheets. First, the quasi-static and cyclic behavior of this electric steel was studied through monotonic and cyclic tests. The behavior model of this material, which will be used in FE simulation, is then identified. The study of the high cycle fatigue (HCF) resistance of this material is performed using smooth and notched specimen’s geometries. The effect of stress ratio, temperature (180°C) and the punching process are considered. Due to its influence on the fatigue resistance, the effect of the punching process is finely investigated. Different experimental techniques such as microscopic observations, 3D surface topography, micro‒hardness and X‒ray diffraction are combined to characterize the specimen’s edges. To dissociate the respective influences of strain hardening, residual stresses and geometrical defects induced by the punching process, and to quantify the contribution of each parameter to the HCF resistance, different specimen’s configurations were tested. A strategy allowing the identification of the critical defects, on which fatigue crack initiation occurs, was adopted. The stress distribution around defects is determined from finite element analyses (FEA) on real defect geometries. A non‒local high cycle fatigue criterion is finally used as post‒processing of FEA to consider the effect of defects and the associated stress-strain gradients in the HCF strength assessment