Life prediction of hot work tool steels subjected to thermomechanical fatigue

Prédiction de la durée de vie sous sollicitations thermomécaniques des outillages en aciers travaillant à chaud

Centre de Recherches Outillages, Matériaux et Procédés (CROMeP), École des Mines d’Albi-Carmaux, France

Abstract

Surface of hot work tools is damaged by complex thermomechanical-wear-reactive environment interactions. A thermomechanical fatigue (TMF) experiment using tubular specimens is developed. Tests are carried out under out-of-phase thermomechanical cycle. The mechanical strain is minimum (ε_{m min}) at upper temperature (T_max) and it is maximum (ε_{m max}) at lower temperature (T_min) of thermal cycle. The behaviour, the damage and the fatigue life of two tempered martensitic steels X38CrMoV5 (AISI H11) and 55NiCrMoV8 (47 HRC) are assessed. The effect of T_min and T_max is examined. Softening is observed for both steels. For a given mechanical strain amplitude (Δε_m = ε_{m max} – E_{m min}), a drastic dependence on T_max is demonstrated, while T_min has less important effect. X38CrMoV5 has a better TMF life. Ductile fatigue striations are observed on the fracture surface of X38CrMoV5 specimens. The fracture surface of 55NiCrMoV8 specimens is covered by oxidation, making difficult to reveal the fatigue striations. Both oxide cracking and spalling are observed on the external surface of specimens. A phenomenological power law uniaxial model, based on the mechanical strain amplitude and T_min, Δε_m = K(T_max).[math], is proposed to predict the life under non-isothermal fatigue sollicitations. The life of some thermal fatigue tests is predicted within a factor of two to three. The capability of the model to predict the critical regions of an industrial hot work tool is reported. Key words : Thermomechanical fatigue, thermal fatigue, tool steels, crack initiation, crack propagation, high temperature fatigue.

Résumé

La surface des outillages travaillant à chaud s’endommage par des interactions complexes de la sollicitation thermomécanique-usure-environnement réactif. Un essais de fatigue thermomécanique (FTM) utilisant des éprouvettes tubulaires a été mis au point. Les essais ont été menés sous cycles thermomécaniques hors-phases. La déformation mécanique est respectivement minimale (ε_{m min}) lorsque la température est maximale (T_max) et est maximale (ε_{m max}) lorsque la température est minimale T_min). La vitesse de chauffage et de refroidissement est d’environ 4 °C/s. Le comportement, l’endommagement et la durée de vie de deux aciers martensitiques revenus X38CrMoV5 (AISI H11) et 55NiCrMoV8 (47 HRC), sont étudiés. L’adoucissement cyclique est observé dans les deux aciers. Pour un niveau de l’amplitude de déformation donné (Δε_m = ε_{m max} – ε_{m min}), une très forte dépendance de la durée de vie à T_max est observée, alors que T_min a un moindre effet. L’acier X38CrMoV5 a une meilleure durée de vie sous les mêmes conditions de sollicitations. Les stries de fatigue observées sur les faciès de rupture de X38CrMoV5 révèlent donc le caractère ductile de la propagation de fissure. Les faciès de rupture de l’acier 55NiCrMoV8 sont couverts d’une couche d’oxyde qui rend difficile la détection des stries de fatigue. La fissuration de la couche d’oxyde ainsi que l’écaillage sont observés sur la surface externe des éprouvettes. Un modèle phénoménologique uniaxial, de type puissance, basé sur l’amplitude de la déformation mécanique et T_max, Δε_m = K(T_max).[math], est proposée pour prédire la durée de vie sous des sollicitations aniothermes. La durée de vie en fatigue thermique ou thermomécanique de certains essais réalisés au laboratoire est prédite à un facteur 2 à 3. La capacité du modèle à prédire et identifier les régions critiques d’un outil de forge industriel est montré.