Bucher, Laurent (2004) Etude de l'endommagement en fatigue thermique des aciers inoxydables F17TNb et R20-12 pour application automobile. PhD thesis Sciences et génie des matériaux, ENSMP - Centre des Matériaux P.M. Fourt, ENSMP.
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Abstract
Thermal cycling is the main cause of fatigue failure in automobile exhaust manifolds for which the use of stainless steel now rivals that of cast iron which has been traditionally used.
An original fatigue test has been developed by Ugine & ALZ, a stainless steel producer, so as to be able to compare different grades of stainless steel alloys. This test is representative of the thermal conditions encountered in the critical zones of exhaust manifolds. However, it has revealed significant differences in damage processes in the ferritic and austenitic grades tested.
The subject of this thesis is the damage processes induced by thermal fatigue in stainless steels used for automotive exhaust manifolds. Two stainless steels were studied: a ferritic grade, F17TNb (17%Cr and stabilized with Ti and Nb), and an austenitic grade, R20-12, containing 20% Cr and
12 % Ni.
The first objective was to understand the different damage processes induced by thermal fatigue in the ferritic and austenitic grades. The second was to develop a numerical design tool of the thermally tested structures.
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| Thesis Supervisor: | Rémy, Luc |
| Date: | December 2004 |
| Board of examiners: | Béranger, G. and Chaboche, J.l. and Lieurade, H.p. and Fissolo, A. and Santacreu, P.o. |
| Discipline: | Sciences et génie des matériaux |
| Collection (Fonds): | ENSMP |
| Institution: | ENSMP |
| Department: | ENSMP - Centre des Matériaux P.M. Fourt |
| Subjects: | 4. Materials Science, Mechanics and Mechanical Engineering |
| Uncontrolled Keywords: | Thermomechanical fatigue, Exhaust manifold, Stainless steel, Metallurgical observation, Isothermal mechanical test, Non isothermal mechanical test, Elasto-viscoplastic model, Fatigue thermique, Collecteur d'échappemen, Acier inoxydable, Observation métallurgique, Essai mécanique isotherme, Essai mécanique non isotherme, Loi de comportement élasto-viscoplastique |
Table of content
AVANT PROPOS 3
SOMMAIRE 5
INTRODUCTION 9
PARTIE 1: Contexte industriel 11
1. La société Ugine & ALZ 13
2. L'application collecteur d'échappement 13
2.1. Fonctions
2.2. Sollicitations en fonctionnement
2.3. Cahier des charges
2.4. La solution acier inoxydable
3. L'essai de fatigue thermique d'Ugine & ALZ 16
3.1. Les tests de validation des échappementiers
3.2. L'essai de fatigue thermique
4. Conclusions 20
Références de la Partie 1 20
PARTIE 2: Bibliographie - Les aciers inoxydables austénitiques et ferritiques 21
1. Généralités sur les aciers inoxydables 23
1.1. L'inoxydabilité des aciers
1.2. Les principaux éléments
1.3. Désignations
1.4. Fabrication des aciers inoxydables
2. Les aciers inoxydables austénitiques 27
2.1. Composition et structure
2.2. Nuances dérivées
2.3. Déstabilisation de l'austénite
3. Les aciers inoxydables ferritiques 32
3.1. Composition et structure
3.2. Nuances dérivées
3.3. Propriétés
4. Les aciers inoxydables stabilisés 35
4.1. La stabilisation
4.2. Titane, niobium et carbonitrures
4.3. Mécanismes de précipitation
4.4. Effet des stabilisants sur les propriétés
5. Oxydation (corrosion à haute température) 40
5.1. Mécanismes de base
5.2. Oxydation des aciers inoxydables
6. Conclusions 44
Références de la Partie 2 45
PARTIE 3: Les matériaux F17TNb et R20-12 49
1. Compositions chimiques et microstructures 51
1.1. Le matériau F17TNb
1.2. Le matériau R20-12
2. Propriétés 61
2.1. Propriétés physiques
2.2. Propriétés mécaniques et résistance à l'oxydation
3. Expertises de collecteurs rompus sur banc moteur 75
4. Conclusions 78
Références de la Partie 3 79
PARTIE 4: Observation d'éprouvettes de fatigue thermique 81
1. Essais de fatigue thermique conduits jusqu'à rupture 83
1.1. Durées de vie
1.2. Faciès de rupture
1.3. Nature de la sollicitation thermomécanique
2. Essais interrompus de fatigue thermique 89
2.1. Protocole expérimental
2.1. Endommagement en fatigue thermique du matériau F17TNb
2.2. Endommagement en fatigue thermique du matériau R20-12
2.3. Influence de la température maximale sur l'endommagement en fatigue thermique
3. Mécanismes d'endommagement en fatigue thermique 104
3.1. Premier endommagement
3.2. Cas de la nuance ferritique F17TNb
3.3. Cas de la nuance austénitique R20-12
4. Conclusions 106
PARTIE 5: Essais mécaniques et simulation numérique 107
1. Essais mécaniques 109
1.1. Méthodologie
1.2. Comportement en régime isotherme
1.3. Comportement en régime non isotherme
2. Modélisation du comportement 119
2.1. Lois de comportement et identification
2.2. Identification - essais isothermes
2.3. Validation des lois de comportement - essais non isothermes
3. Calculs de structure pour la nuance F17TNb 135
3.1. Modélisation de l'essai de fatigue thermique
3.2. Modélisation d'un collecteur d'échappement
4. Discussion de la définition d'un critère de ruine 140
4.1. Durées de vie et instabilités géométriques
4.2. Critère de ruine
5. Conclusions 143
Références de la Partie 5 145
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES 147
| ID Code: | 1371 |
|---|---|
| Deposited By: | Odile ADAM |
| Deposited On: | 05 September 2005 |
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