Microstructural features impact of forged components on their high cycle fatigue resistance: multiscale approach and experimental validation
Impact des caractéristiques microstructurales des pièces forgées sur leur tenue en fatigue à grand nombre de cycles : modélisation multi-échelles et validation expérimentale
Résumé
During a forging process, components undergo complex large strains. As a consequence, the microscopic is not homogeneous and the macroscopic behavior of the final component is not isotropic; it varies with different loading conditions and directions. The goal of this study is to take into account this anisotropy in high cycle fatigue simulations on industrial components on the basis of forging output. Standard high cycle fatigue criteria predict efficiently the resistance of isotropic components but are not suitable for anisotropic components. The aim is to represent explicitly this anisotropy at a lower scale compared to the process scale and well identified local coefficients needed to simulate a real case. Thus, from stochastic experimental data, a very realistic microstructure can be reconstructed in order to perform high cycle fatigue simulations for different orientations. By this means, the local mechanical anisotropy is included and local parameters, which are needed to optimize back the forging process, can be determined. The link between these data and the process scale is, as a first approximation, the fiber vector and the kneading coefficient, which can later be used to calculate global mechanical anisotropy. The results can be integrated in global optimization loops to determine, for instance, the relevant preform of the component.
Durant le procédé de forgeage, la pièce subit des déformations complexes et importantes. Ainsi, la microstructure finale n'est pas homogène, et le comportement macroscopique du matériau change selon la direction de sollicitation. Ce phénomène, directement lié au procédé mécanique de mise en forme constitue, l'anisotropie du comportement de la pièce forgée. Le but de cette étude est de relier cette anisotropie à des calculs de fatigue à grand nombre de cycles. Pour des pièces suffisamment isotropes (des pièces coulées par exemple), les critères classiques sont de bons prédicteurs, mais leur utilisation pour des pièces forgées n'est pas recommandée. Ainsi, pour tenir compte de cet effet, l'anisotropie est représentée à une échelle d'étude plus petite que celle du procédé : l'échelle mésoscopique c'est à dire l'échelle du grain. A partir des données statistiques obtenues sur la pièce réelle, nous pouvons reconstruire un volume élémentaire digital et lui faire subir des déformations et des analyses en fatigue dans toutes les directions. Ceci afin de déterminer les coefficients locaux dont nous avons besoin pour revenir sur la simulation de la mise en forme et des propriétés induites en fatigue de la pièce forgée. Il s'agit donc d'une étude multi-échelles reliant l'échelle de la microstructure à celle de l'ingénieur. Par ce biais, l'anisotropie mécanique locale est prise en compte à travers des paramètres locaux qui dépendent de l'orientation de la microstructure mais aussi du taux de déformation. Les liens avec la pièce industrielle sont un vecteur fibrage (qui donne l'anisotropie induite par le procédé de forgeage) et un taux de déformation locale subie. Ainsi, les résultats peuvent être utilisées dans l'optique d'optimiser la préforme du composant pour optimiser sa tenue en fatigue.
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