Fatigue Behavior of Additively Manufactured LPBF-M789 Maraging Steel Under the Influence of Discontinuities

Cette recherche doctorale s’inscrit dans le cadre du projet FatCo, un programme international de recherche sur la fatigue-corrosion réunissant Hydro-Québec, SACMI, Polytechnique Montréal, l’Université McGill, l’École de Technologie Supérieure (ETS) et Politecnico di Milano. Ce programme vise à améliorer la compréhension et la modélisation des mécanismes d’endommagement dans les roues de turbines hydrauliques et les outils de formage, en tenant compte de la fatigue, de la fatigue-corrosion et des hétérogénéités des matériaux dans des conditions de service. L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement en fatigue de l’acier maraging M789 fabriqué par fusion laser sur lit de poudre (LPBF), en analysant l’influence des discontinuités intrinsèques et extrinsèques, en évaluant les modèles de prédiction de la résistance à la fatigue basés sur les discontinuités, en identifiant les facteurs gouvernant la sévérité des discontinuités et en caractérisant les mécanismes de rupture en fatigue de l’alliage. L’approche expérimentale repose sur la qualification du matériau par analyse chimique, caractérisation microstructurale, essais de traction et mesures de dureté, afin de vérifier la conformité aux propriétés attendues de l’alliage. Des éprouvettes ont été produites dans différentes conditions de surface : polies (FP), telles qu’imprimées (FA), piquées (FC) et avec canaux internes (FIC), afin de représenter respectivement des discontinuités intrinsèques de fabrication, des vallées de rugosité, des piqûres de corrosion et des caractéristiques géométriques internes. Des piqûres extrinsèques ont été générées par polarisation potentiodynamique cyclique (CPP) et par une technique exploratoire de polarisation potentiostatique (PotPit) dans une solution de NaCl à 3,5 %. La caractérisation non destructive, la métallographie, les mesures de rugosité et l’analyse par éléments finis ont été réalisées avant les essais de fatigue. Quel que soit l’état de surface, le comportement en fatigue est dominé par la présence de discontinuités. Aucun des échantillons n’a atteint la résistance à la fatigue sans discontinuité estimée à 550 MPa. La résistance maximale observée pour les éprouvettes polies (FP) correspond à environ 52 % de cette valeur idéale, tandis que les éprouvettes FA, FC et FIC présentent des résistances comprises entre 10 % et 30 % en raison de discontinuités de plus grande taille. Les résultats expérimentaux ont été analysés à l’aide d’un diagramme de Kitagawa–Takahashi afin d’évaluer les prédicteurs de résistance à la fatigue en fonction de la taille des discontinuités. Les modèles d’El-Haddad et de la mécanique linéaire de la rupture (LEFM) ont permis de prédire avec précision la résistance à la fatigue, alors que le modèle de Murakami non. La taille des discontinuités à l’origine de la rupture varie entre 42 et 2860 μm, tandis que la taille critique est estimée à environ 15 μm. Les discontinuités extrinsèques, telles que les piqûres et les canaux internes, présentent un comportement de type entaille. La combinaison de techniques de caractérisation non destructives et de statistiques des valeurs extrêmes (EVS) permet d’obtenir des prédictions conservatrices pour les éprouvettes polies et piquées, mais reste limitée pour les éprouvettes telles qu’imprimées.