Fatigue Crack Propagation Under Variable Amplitude Loading in Steels Used in Francis Turbine Runners

Les turbines hydrauliques sont soumises à de très grands nombres de cycles à faible amplitude de contrainte et à haute fréquence. Ces petits cycles sont générés par des phénomènes hydrauliques et sont superposés à une contrainte statique de tension. Aussi, dépendant des conditions de fonctionnement, il est possible d'avoir superposé aux petits cycles un plus faible nombre de grands cycles à forte amplitude de contrainte et basse fréquence. On a ainsi en pratique une superposition de petits cycles, de grands cycles et d'une contrainte statique de tension durant les 70 ans de durée de vie de la turbine. Les turbines hydrauliques qui sont fabriquées à partir des aciers AISI 415, ASTM A516, et AISI 304L (notés 415, A516, et 304L pour simplification) sont soumises à de telles contraintes cycliques et statique. Ces contraintes ont pour effet de favoriser la propagation des défauts existants dans les roues des turbines et peuvent mener à leur rupture. Pour éviter la propagation des fissures, les petits cycles doivent induire un ΔK qui est en dessous du seuil de fatigue. Néanmoins, les grands cycles peuvent contribuer à propager ces fissures. Ainsi, pour prédire la vitesse de propagation des fissures dans de telles conditions de cycles superposés, on a recours à la sommation linéaire de dommage (SLD). Il a été observé que les grands cycles superposés aux petits cycles peuvent induire une diminution du seuil de fatigue des petits cycles. Différentes procédures ont été proposées dans la littérature pour mesurer les seuils associés au petits cycles seuls et avec superposition des grands cycles. Cependant, la plupart des procédures ne minimise pas la fermeture induite lors de la mesure du seuil conduisant ainsi à une surestimation de leur valeur. La présente étude propose de nouvelles procédures d'essais pour réduire la fermeture lors de la mesure du seuil de fatigue pour les aciers mentionnés précédemment. De plus, différentes études ont démontré que les fissures peuvent se propager plus rapidement sous l'effet des grands cycles que ce que prédit la SLD. Nous vérifierons ainsi la précision de la prédiction LDS par rapport aux mesures de propagation. Dans une première étude, la propagation des fissures par l'interaction de petits et de grands cycles est caractérisée dans les trois aciers. Les cycles de base sont entrecoupés par les grands cycles. Les vitesses de propagation des fissures par les cycles de base et les grands cycles de sous-charges sont additionnées dans la SLD pour évaluer la vitesse de propagation de fissure.