Influence of surface conditions on fatigue strength through the numerical simulation of microstructure^*

Étude par simulation numérique de la microstructure de l’influence de l’état de surface sur la résistance à la fatigue d’un acier 304L

¹ Laboratoire MSSMat, UMR 8579 CNRS, École Centrale Paris, France
e-mail: philippe.bompard@ecp.fr
² Département MMC, EDF R&D, Site des Renardières, France

Received: 14 September 2010
Accepted: 7 April 2011

Abstract

A thermal fatigue test (INTHERPOL) was developed by EDF in order to study the initiation of cracks. These tests are carried out on tubular specimens under various thermal loadings and surface finish qualities in order to give an account of these parameters on crack initiation. The main topic of this study is to test the sensitivity of different fatigue criteria to surface conditions using a micro/macro modelling approach. Therefore a 304L polycrystalline aggregate, used for cyclic plasticity based FE modelling, have been considered as a Representative Volume Element located at the surface and subsurface of the test tube. This aggregate has been cyclically strained according to the results issued from FE simulation of INTHERPOL thermal fatigue experiment. Different surface parameters have been numerically simulated: effects of local microstructure and of grains orientation, effects of machining: metallurgical prehardening, residual stress gradient, and surface roughness. Three different fatigue criteria (Manson Coffin, Fatemi Socie and dissipated energy types), previously fitted at a macroscale for thermal fatigue of 304L, have been computed at a meso scale, in order to show the surface “hot spots” features and test the sensitivity of these three criteria to different surface conditions. Results show that grain orientation and neighbouring play an important role on the location of hot spots, and also that the positive effect of prestraining and the negative effect of roughness on fatigue life are not all similarly predicted by these different fatigue criteria.

Résumé

Un essai de fatigue thermique (INTHERPOL) a été développé par EDF pour étudier l’initiation des fissures. Ces essais ont été réalisés sur des maquettes tubulaires, pour différentes conditions de chargement thermique et d’état de surface, de façon à étudier les effets de ces paramètres sur l’initiation des fissures. Cette étude a pour objectif de tester la sensibilité de différents critères de fatigue vis à vis de l’état de surface, par une approche de modélisation micro/macro. Un agrégat numérique polycristallin de 304L a été considéré comme un volume élémentaire représentatif situé à la surface interne d’un tube d’essai, et déformé cycliquement selon les trajets de chargement issus d’une simulation Eléments Finis de l’essai INTHERPOL. Différents états de surface ont été simulés numériquement : effet de la microstructure locale et de l’orientation des grains, effets de l’usinage : gradients d’écrouissage et de contraintes résiduelles, rugosité. Trois types de critères de fatigue, préalablement identifiés à l’échelle macroscopique pour le 304L (Manson Coffin, Fatemi Socie, énergie dissipée par cycle), ont été calculés à l’échelle mésoscopique pour mettre en évidence les caractéristiques des « points chauds » et tester les sensibilités de ces critères aux différents états de surface. Les résultats montrent que l’orientation et le voisinage des grains jouent un rôle important sur la localisation des points chauds, et montrent également que les effets positifs d’une prédéformation et négatif de la rugosité ne sont pas prédits de la même façon par les trois types de critères.