Fatigue thermomécanique - ASTM E2368 et ISO 12111
Pour la conception et construction de composants simultanément soumis à des contraintes thermiques et mécaniques cycliques, par exemple de turbines à gaz ou de moteurs à combustion, des valeurs caractéristiques fiables sont requises pour prédire la durée de vie à la fatigue et le comportement à la déformation cyclique dans les conditions de fonctionnement définies. Lors de la détermination de la fatigue thermomécanique (TMF, thermo mechanical fatigue) , les grandeurs caractéristiques nécessaires au matériau sont déterminées par la combinaison en phase ou en déphasage de charges thermiques et mécaniques cycliques.
Le test TMF est décrit dans les normes spécifiques suivantes: ASTM E2368, ISO 12111 et le Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
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Qu’entend-on par fatigue thermomécanique?
Outre une grande fiabilité de fonctionnement à long terme, les turbines de centrales électriques et d'avions doivent présenter une résistance suffisante aux variations de charge à court terme et aux opérations de démarrage et d'arrêt. La fatigue thermomécanique (TMF, thermo-mechanical fatigue) est la simulation de ce chargement mécanique conditionnée par la dilatation thermique du matériau. Au démarrage, tous les composants sont chauffés de la température ambiante vers leur température de fonctionnement ce qui s'accompagne d'une expansion du matériau. Cette expansion crée une contrainte dans le matériau, qui devra être précisément connue pour éviter d'endommager les composants. Dans le cas de pièces composites telles que les aubes de turbine avec couches d'isolation thermique en céramique, le désajustement thermique entre les composants métalliques et céramiques constitue une autre composante de la charge qui devra être prise en compte lors de la conception. De plus, les couches d'oxyde qui se forment pendant le fonctionnement ont une influence sur la durée de vie en fatigue.
Principales normes pour la fatigue thermomécanique
Les exigences relatives au test TMF sont décrites plus en détail dans les normes suivantes:
- ASTM E2368 Standard Practice for Strain Controlled Thermomechanical Fatigue Testing
- ISO 12111 Metallic materials - Fatigue testing - Strain-controlled thermomechanical fatigue testing method
- Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing
Réalisation du test TMF d’après ASTM E2368 et ISO 12111
Lors de la détermination de la fatigue thermomécanique d’après ASTM E2368 et ISO 12111, une éprouvette est chauffée de manière cyclique et soumise simultanément à un allongement mécanique de même phase ou de phase opposée. Selon les mécanismes d'endommagement à contrôler, différentes évolutions de la température et de l'allongement mécanique seront choisies. Ces courbes sont souvent triangulaires ou peuvent être élargies avec des temps de maintien, par exemple à la température maximale. L'allongement et la température peuvent alors être appliqués de manière décalée dans le temps. Ce déphasage entre la charge thermique cyclique et la charge mécanique influence considérablement la durée de vie en fatigue ainsi que la déformation plastique du matériau.
Les tests TMF les plus courants (avec et sans déphasage) sont les suivants:
- IP (in phase): l’éprouvette subit simultanément une dilatation thermique provoquée par l'échauffement ainsi qu'une dilatation mécanique provoquée par la force de traction
- OP (out of phase): l’éprouvette subit simultanément une dilatation thermique provoquée par l'échauffement et une compression provoquée par la force de compression
- CD (clockwise diamond)
- CCD (counterclockwise diamond)
Les tests TMF sont principalement réalisés avec un contrôle de l'allongement, car la contrainte exercée sur la pièce résulte d'un obstacle à l'allongement thermique. Des essais régulés en contrainte pourront en outre être utilisés sur des éprouvettes non uniformes, c’est le cas notamment des éprouvettes avec entailles, car l'allongement au fond de l'entaille ne peut être mesuré. Dans les deux cas, seul l'allongement total (εt) peut être mesuré et régulé. Celui-ci se compose de l'allongement thermique (εth) et de l'allongement mécanique (εme): Formule εt = εth + εme. Afin de soumettre l'éprouvette à l'allongement mécanique souhaité en plus de l'allongement thermique, l'allongement thermique est mesuré au préalable en fonction du temps avec l'évolution de température définie et pris en compte lors du test proprement dit pour la régulation de l'allongement total.
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Détermination du module de Young avant chaque test TMF
Le Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing recommande avant chaque test TMF de déterminer le module de Young à la température ambiante, à la température minimale, à la température maximale et à une valeur de température moyenne supplémentaire, au moins. Les deux normes ASTM E2368 et ISO 12111 exigent également la mesure du module de Young à la température minimale, moyenne et maximale d'un cycle thermique.
La comparaison ultérieure de la valeur de Young mesurée avec les données d'une base de données de référence permet de vérifier que les grandeurs de régulation et de mesure de la force, de l'allongement et de la température sont correctes. Si les valeurs mesurées se situent dans la limite de tolérance de 5% maximum de la différence de contrainte attendue pour une force minimale et maximale, le fonctionnement correct du test sera alors assuré.
Mesure de la déformation d’après ASTM E2368 et ISO 12111
L’ASTM E2368 exige un extensomètre correspondant au moins à la classe de précision B-2 d’après l'ASTM E83. L’ ISO 12111 et le Validated Code-of-Practice prescrivent un extensomètre de classe de précision 1 ou supérieur selon la norme ISO 9513. Pour les éprouvettes dont la longueur de référence est inférieure à 15 mm, l'extensomètre doit être de classe de précision 0,5 selon la norme ISO 9513.
Exigences supplémentaires pour la mesure de la déformation lors de l’étude de la fatigue thermomécanique:
- L'extensomètre doit être adapté à la mesure dynamique de la déformation sur une longue période, tout en garantissant une dérive, un glissement et une hystérésis minimale.
- L'extensomètre doit être protégé des variations ou des influences thermiques à l'aide d'un refroidissement actif, tel par exemple un refroidissement par eau.
- La pression de contact de l'extensomètre sur l'éprouvette doit être maintenue aussi faible que possible sans endommager la surface de l'éprouvette.
- Le montage de l'extensomètre doit être assuré de manière à ce que la mesure de la déformation ne soit pas affectée par le réchauffement de l'éprouvette et la dilatation qui en résulte, et à ce que les bras de palpeurs ne glissent pas de l'éprouvette.
Système d'essai pour la détermination de la fatigue thermomécanique
Pour l’essai de fatigue thermomécanique, ZwickRoell (Fürstenfeld) a développé un système d'essai spécialement adapté en étroite collaboration avec le Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Pour ce faire, la Kappa 100 SS-CF a été équipée d'un système de chauffage par induction adapté à des limites d’utilisation en température allant de 50°C à 1 200°C et d'un système de refroidissement par air. Cette machine d'essai de fluage électromécanique avec passage du zéro sans jeu a est utilisée depuis de nombreuses années pour la réalisation de tests avec cycles de charge à basse fréquence. Lors des charges cycliques de traction et de compression, la Kappa SS-CF régule sans jeu comme le prescrivent les normes ASTM E2368 et ISO 12111.
Pour un maintien fiable de l’éprouvette, la machine d'essai est équipée de mâchoires hydrauliques refroidis par eau. Le refroidissement par eau permet une stabilisation rapide de la température le long de l'éprouvette et assure l'évacuation directe de la chaleur de la tête de l’éprouvette. La mesure fiable de la déformation pendant le test TMF est réalisée à l'aide d'un extensomètre avec contact équipé de palpeurs en céramique et d’un refroidissement par eau.
Ce système d'essai pour la détermination de la fatigue thermomécanique remplit toutes les exigences des normes ASTM E2368, ISO 12111 et du Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
Les composants pour test TMF pourront également être intégrés dans les machines d’essais servohydrauliques:.
Répartition optimale de la température lors des tests TMF
Conformément au Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing, l'écart de température à la valeur de consigne spécifiée dans la section de mesure de l'éprouvette est < 10K ou < ±2% de la différence de température. Selon la forme et le matériau de l’éprouvette, des taux de chauffage et de refroidissement allant jusqu'à 25 K/s sont possibles. Pour atteindre les taux de chauffage et de refroidissement maximaux prescrits par les tests TMF utilisent un système de chauffage par induction et des buses de refroidissement disposées spécialement.
Le système de chauffage par induction avec puissance de chauffage à réglage individuel permet de tester différents matériaux d'éprouvettes avec différentes conductivités électriques. Des inducteurs spécifiques à l'éprouvette assurent une répartition optimale de la température sur l'éprouvette. Des vannes de régulation de pression proportionnelles et quatre buses à jet plat disposées symétriquement assurent une régulation précise du flux d'air. Les buses de refroidissement sont réglables et leur position est reproductible pour les essais ultérieurs.
La mesure de la température s’effectue directement sur l’éprouvette selon les normes ASTM E2368 et ISO 12111, par des thermocouples à bande. Ceux-ci sont placés de manière simple et fiable au centre de la section de mesure de l'éprouvette. La précontrainte réglable du ressort assure alors une pression de contact fiable.