Dans un contexte général de réduction de la pollution atmosphérique, l’industrie automobile cherche à augmenter le rendement des moteurs thermiques pour en limiter la consommation et les émissions. Pour satisfaire cet objectif, les températures de combustion sont en constante augmentation, ce qui entraine une augmentation de la sollicitation thermique de la face d’échappement de ces moteurs. Ces pièces n’étant pas refroidies, elles sont exposées à des températures toujours plus élevées, ce qui nécessite une durabilité à haute température accrue des matériaux.
Cette thèse a pour objectif d’évaluer la durabilité des pièces de fonderie de la face échappement telles que les collecteurs, corps de turbine ou turbocollecteurs réalisées en fonte GS SiMo+ et en acier inoxydable moulé 1.4826Nb à des températures supérieures à leur température maximale actuelle d’utilisation. Une première étape a porté sur l’effet de la vapeur d’eau sur l’oxydation de la surface pendant des traitements thermiques continus et cycliques et sur l’évolution associée de la microstructure. La seconde étape a porté sur l’effet de ces traitements thermiques sur les propriétés mécaniques à température ambiante. Enfin, un montage de fatigue thermomécanique par dilatation différentielle entre un support en carbure de silicium et une éprouvette métallique en V a été conçu pour être utilisé sur un banc d’oxydation cyclique sous atmosphère contrôlée afin d’étudier les mécanismes de fissuration et d’endommagement en fatigue thermomécanique ainsi que l’effet de l’environnement sur l’initiation de fissures dans ces conditions.
L’augmentation de la température maximale des cycles thermiques appliqués de 700 à 800°C pour la fonte GS SiMo+ et de 850 à 950°C pour l’acier 1.4826Nb a pour principale conséquence une accélération de la perte de section par oxydation et une diminution des propriétés mécaniques du fait de l’évolution de la microstructure pour la fonte ou de la relaxation des contraintes résiduelles pour l’acier. Cette perte de section par oxydation est fortement accélérée en présence de vapeur d’eau.
Les essais préliminaires réalisés avec le montage de fatigue thermomécanique ont permis de valider son dimensionnement et de mettre en avant les cycles thermomécaniques pour lesquels l’initiation et la propagation de fissures étaient les plus rapides sur des cycles 300-800°C pour la fonte et 300-950°C pour l’acier. Une plus ample campagne d’essai reste à réaliser pour évaluer les mécanismes de fissuration et l’effet de l’environnement en fonction de la température maximale.
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Due to tightening environmental standards, the automotive industry is constantly trying to improve the efficiency of the internal combustion engines for increasing their fuel economy and reducing their carbon emissions. The main way to meet this goal on a turbocharged engine is to increase the combustion temperature. This leads to increasing exhaust gas temperature and increasing thermal loads on exhaust manifolds and turbine housings. These components being uncooled, their maximum temperature is increasing and require better durability at high temperature.
The main objective of this thesis is to evaluate the durability of SiMo spheroidal graphite iron (SGI) and 1.4826Nb cast stainless steel (CSS) at higher temperature than the actual maximum operating temperature in order to evaluate their use on engines with higher power. The first part of the study focuses on the effect of water vapor on high temperature oxidation during continuous and cyclic heat treatments and on the underlying microstructure evolution. The second part focuses on the effect of these heat treatments on the tensile properties at room temperature. At last, a thermomechanical fatigue test setup has been designed to study the effect of environment on crack initiation during thermomechanical fatigue (TMF). This setup uses the difference in thermal expansion between silicon carbide and metallic materials to generate mechanical strain and stress in a V-shaped specimen during thermal cycling in a controlled atmosphere cyclic oxidation test bench.
Increasing maximum temperature during thermal cycling from 700 to 800°C for SiMo SGI and from 850 to 950°C for 1.4826Nb CSS leads to accelerated wall thickness loss due to increased oxidation and to a drop in mechanical properties due microstructure evolution in SGI or residual stress relieving in CSS. The wall thickness loss is further accelerated in humid atmosphere.
Preliminary tests performed with the TMF setup demonstrated the design is valid and enabled to identify the thermomechanical loads leading to faster crack initiation and propagation for 300-800°C thermal cycling of SiMo SGI and 300-950°C thermal cycling of 1.4826Nb CSS. More tests are necessary to identify the crack initiation mechanisms according to the maximum temperature of the thermal cycle and the atmosphere. |