Approche multi-échelles pour l’étude de l’anisotropie induite par le forgeage en fatigue à grand nombre de cycles^*

A multiscale finite element approach to deal with high cycle fatigue anisotropy induced by forging

CEMEF – Centre de Mise en Forme des Matériaux, Mines ParisTech, France
e-mail: Pierre-Olivier.Bouchard@mines-paristech.fr

Reçu : 14 Septembre 2010
Accepté : 22 Novembre 2010

Résumé

Les pièces de forge sont universellement reconnues pour leurs bonnes propriétés mécaniques, notamment en fatigue. L’approche proposée ici consiste à intégrer la simulation du forgeage dans le dimensionnement en fatigue des pièces forgées. Le fibrage et le taux de corroyage sont deux caractéristiques principales du forgeage. À l’aide du logiciel FORGE^®, le fibrage est calculé tout au long des opérations de mise en forme. Ce fibrage, ainsi que les contraintes résiduelles, sont ensuite introduits dans des outils de dimensionnement pour améliorer la prédiction du calcul de durée de vie en fatigue. Les critères de fatigue actuels, basés sur des modèles isotropes, ne permettent pas de valoriser le sens long de ce fibrage, et par là les pièces de forge, car c’est en général dans ce sens que ces pièces sont le plus sollicitées. Une extension anisotrope du modèle de Papadopoulos est proposée sur la base d’une campagne expérimentale effectuée sur des éprouvettes prélevées à 0°, 45° et 90° par rapport à la direction de fibrage. Une modélisation à l’échelle micro (DIGIMICRO) permet également de mieux comprendre le rôle des inclusions sur les sollicitations en fatigue. La mise en place d’une chaîne de simulation virtuelle globale à l’échelle d’un composant industriel, associée à des modélisations microstructurales, permet de mieux comprendre et de quantifier le rôle du fibrage sur les propriétés en fatigue à grand nombre de cycles des pièces forgées.

Abstract

Forged components are recognized for their good mechanical strength and fatigue properties. The methodology presented here consists in improving fatigue analyses of forged components by accounting for the forging simulation stage. Kneading rate and grain flow orientation are two consequences of the forging process. Using the FORGE^® software, grain flow orientation is computed all along the forming process simulation. This grain flow orientation, as well as residual stresses, are then used as input data to enhance the fatigue analysis. Usual isotropic fatigue criteria are usually unable to demonstrate the higher fatigue properties of forged components along the grain flow orientation. An anisotropic extension of the Papadopoulos fatigue criterion is defined here. This extension is based on experimental fatigue results obtained on samples extracted at 0°, 45° and 90° with respect to the grain flow orientation. A numerical modelling is performed at the microscale using the DIGIMICRO software. These simulations give a better understanding on the influence of elongated particles and cluster of particles on high cycle fatigue mechanisms. A virtual simulation chain is set-up to work on real industrial components. This simulation chain, together with microscale numerical modelling demonstrate the positive influence of the grain flow orientation of forged components on high cycle fatigue properties of industrial parts.