Défauts de type retassure cavité

Les essais de fatigue ont été conduits sur des éprouvettes issues de trois coulées avec un niveau de dégradation différent établi par le CND aux rayons X selon la norme ASTM E2422-11 [ASTM E2422-11 2011]. Plus en détail, les résultats des essais de fatigue montrés dans ce paragraphe, se réfèrent aux éprouvettes issues des coulées avec défauts de type retassure cavité de grade 2, 3 et 4 (RC 2, RC 3 et RC 4). Un diagramme de type Wöhler a été construit (Figure 4.1), les courbes S-N montrent les tendances obtenues par les trois types de retassure cavité et l’abattement sur la limite de fatigue par rapport au matériau sain de référence (grade < 1). La présence des défauts naturels, comme attendu, réduit la limite de fatigue de l’alliage de fonderie A357-T6. Le résultat montre que pour des défauts de type retassure cavité, pour un grade de nocivité qui varie entre 2 et 3, l’abattement moyen sur la limite de fatigue est de 51% par rapport à la référence saine (grade < 1). Si on compare la limite de fatigue obtenue pour la nuance classée RC 2 et la nuance classée RC 3 on constate que l’écart pour N = 2∙10⁶ cycles est négligeable, les deux coulées produisent le même abattement sur la limite de fatigue. La tendance est différente pour un grade de nocivité plus élevé (RC 4). Dans ce cas, l’abattement sur la limite de fatigue est plus marqué et s’élève à 77%.

Figure 4.1 : Diagramme de Wöhler obtenu pour les éprouvettes qualifiées RC 2, RC 3 et RC 4 pour un rapport de charge positif R = 0.1 (fréquence de 106 Hz)

Une synthèse des limites de fatigue estimées avec la méthode par paliers est présentée dans le Table 4.1.

Table 4.1 : Limite de fatigue pour chaque coulée avec défauts naturels obtenue avec la méthode par paliers pour N = 2∙10⁶ cycles (valeurs exprimées en amplitude de contrainte)

Coulée R (MPa)

Saine (grade < 1) 0.1 69

Retassure cavité grade 2 (RC2) 0.1 36

Retassure cavité grade 3 (RC3) 0.1 32

Retassure cavité grade 4 (RC4) 0.1 15

Retassure spongieuse grade 2 (RS2) 0.1 36

Retassure spongieuse grade 3 (RS3) 0.1 34

Une analyse des faciès de rupture a été conduite pour les trois familles de défauts afin de comprendre l’origine de l’amorçage et estimer la taille de défaut, exprimée comme AIRE^1/2 pour chaque défaut à l’origine de la rupture des éprouvettes.

En présence de défauts de type retassure cavité, l’amorçage des fissures de fatigue se produit systématiquement au niveau des défauts. En fonction de la position des retassures on peut amorcer une ou plusieurs fissures en surface, en interne ou au même temps en interne et en surface sur des défauts différents. Dans ce paragraphe l’analyse sera concentrée seulement sur des cas d’amorçage de fissure sur un ou plusieurs défauts en surface ou en sous-couche, ce qui est le cas le plus fréquent qui a été observé pendant la campagne d’essais. Une analyse détaillée de la position des défauts et par conséquent des amorçages en interne sera conduite dans le Chapitre 5.

 Retassures de type cavité grade 2 (RC 2)

La Figure 4.2 montre le faciès de rupture de l’éprouvette 30-2 (RC 2), qui montre une retassure de type cavité (dans la zone D) à l’origine de l’amorçage d’une fissure critique. La taille du défaut (1619 µm) a été calculée en suivant la méthode proposée dans le paragraphe 2.3. Il est important de remarquer que la première phase d’amorçage d’une microfissure à partir d’un pore de surface de type retassure, sur des alliages de fonderie de la famille Al-7Si-Mg, normalement correspond à la décohésion des particules de Silicium dans les zones eutectiques localisées dans les zones convexes des pores, comme a été montré dans les travaux conduits par Buffière et al. [Buffière et al. 2001].

(a) (b)

(c)

Figure 4.2 : (a) Faciès de rupture de l’éprouvette 30-2 qualifiée RC 2 sous chargement uniaxial à R = 0.1, σamp = 40 MPa, N = 5.52∙105 cycles, (b) cliché radiographique du brut de fonderie (avant usinage) dans la zone utile, (c) défaut de type retassure cavité AIRE^1/2 = 1619 µm

Un deuxième scenario est montré en Figure 4.3 où, pour l’éprouvette 33-2 (RC 2), trois défauts de type retassure cavité ont amorcé autant de fissures (zones F, G et H en Figure 4.3a). Ceci correspond à une condition de multi-amorçage sur des défauts de surface (ou en sous-couche). Il est important de remarquer que dans ce cas, les défauts ont une taille

importante. Dans le cas de la zone F, la fissure s’est propagée sur un plan partiellement visible sur le faciès, la taille a été estimée sur la partie de défaut visible et est égale à 592 µm. Les deux plans de propagation sont aussi visibles sur le fût fissuré de l’éprouvette (Figure 4.3e) où la fissure est indiquée par la flèche. Dans les zones G et H on constate l’amorçage et la propagation de deux autres fissures sur des défauts de taille égale à 1669 µm et 1363 µm respectivement. Il est important de remarquer que dans la caractérisation en CND des éprouvettes, l’indication aux rayons X, permet de classer une éprouvette en fonction de l’amas de défauts visibles sur le cliché (Figure 4.3b). Cependant sur les surfaces de rupture l’amas identifié est observable seulement partiellement et une corrélation entre l’identification faite en CND et les défauts identifiés sur le faciès de rupture n’est pas toujours simple à faire. Sur le faciès de rupture on arrive à identifier les sites d’amorçage, mais d’autres défauts de type retassure cavité (même de taille plus élevée par rapport aux défauts qui ont activé un mécanisme d’amorçage) peuvent être présents sans avoir activé aucun mécanisme d’amorçage. Ceci est une condition très fréquente pour un grade de défaut RC 2, cet effet est moins fréquent quand l’indication de nocivité du défaut est de l’ordre RC 3 ou RC 4 où les retassures commencent à être visibles sur presque toute la section utile de l’éprouvette en formant un amas de porosité important.

(a) (b)

(c) (d) (e)

(f)

Figure 4.3 : (a) Faciès de rupture de l’éprouvette 33-2 qualifiée RC 2 sous chargement uniaxial à R = 0.1, σamp = 50 MPa, N = 2.46∙10⁵ cycles, (b) cliché radiographique du brut de fonderie (avant usinage) dans la zone utile, (c) défaut de type retassure cavité AIRE^1/2 = 592 µm, (d) défaut de type retassure cavité AIRE1/2 = 1669 µm, (e) défaut de type retassure cavité AIRE1/2 = 1363 µm, (f) partie du fût de l’éprouvette montrant les deux plans de fissuration et une fissure de surface (indiquée par la flèche)

 Retassures de type cavité grade 3 (RC 3)

La condition d’amorçage d’une fissure de fatigue dans le cas d’une éprouvette classée comme contenant une retassure de type cavité grade 3 (RC 3), dans le principe de base ne change pas, par rapport à ce qui a été observé pour le cas RC 2.

(a) (b)

(c) (d) (e)

Figure 4.4 : (a) Faciès de rupture de l’éprouvette 51-3 qualifiée RC 3 sous chargement uniaxial à R = 0.1, σamp = 40 MPa, N = 3.85∙10⁵ cycles, taille globale du défaut AIRE^1/2 = 6409 µm, (b) cliché radiographique du brut de fonderie (avant usinage) dans la zone utile, (c) grossissement de la zone F qui montre de la porosité distribuée de type spongieuse et des zones de propagation stable (stade II), (d) grossissement de la zone G qui montre de la porosité distribuée de type spongieuse, des zones de propagation stable (stade II) et une facette cristallographique (indiquée par la flèche) (e) grossissement de la zone H qui montre un amas de porosité qui forme une cavité

La Figure 4.4 montre le faciès de rupture de l’éprouvette 51-3. On peut remarquer, que par rapport aux deux cas précédents, l’identification d’un site d’amorçage clair et net est difficile. Les surfaces de rupture sont caractérisées par une zone plus sombre, qui correspond effectivement à une retassure de type cavité, on identifie un évident manque de matière (grossissement dans la zone H de Figure 4.4e) et par une zone de micro-retassures distribuées autour de la retassure cavité (grossissements dans les zones F et G en Figure 4.4c et Figure 4.4d). Très souvent sur le faciès de rupture des éprouvettes caractérisées par de la porosité distribuée on peut observer la présence très localisée de facettes de type cristallographique qui, si elles se trouvent proches de la surface, peuvent

est montrée en Figure 4.4d (indiquée par la flèche), dans ce cas spécifique, il y a aussi la présence de plusieurs micro-retassures qui ont activé un mécanisme d’amorçage de fissure qui probablement, dans la zone indiquée par la flèche, a propagé en suivant un plan cristallographique spécifique. On peut remarquer que la morphologie globale du défaut au sens ASTM (retassure cavité entourée par de la microporosité spongieuse) est différente par rapport aux retassures de type cavité observées sur les éprouvettes de type RC 2. Cependant, si on observe la morphologie locale des micro-retassures spongieuses, on trouve que la morphologie est pilotée par la microstructure dendritique et au niveau local ne diffère pas de la morphologie d’une micro-retassure.

Un possible scenario d’amorçage et propagation a été schématisé en Figure 4.5. Une fissure principale amorce à partir de la retassure cavité et forme une zone de propagation stable (Zone D, comme dans le cas classique de propagation d’une fissure sur un défaut de surface, stade II de propagation cf. paragraphe 1.2.3). Au même temps les micro-retassures distribuées autour de la retassure cavité, amorcent des microfissures qui au cours de l’essai propagent et coalescent avec la fissure principale en formant une zone de propagation stable définie par la zone E de Figure 4.5. Enfin la partie restante de la surface de rupture correspond à la zone A de rupture ductile.

Figure 4.5 : Probable scénario d’amorçage et propagation d’une fissure de fatigue en présence d’un défaut entouré par de la microporosité de type spongieuse.

L’estimation de la taille de défaut dans un cas de ce type est compliquée et différente par rapport à ce qui a été fait pour des retassures isolées. Effectivement il n’y a pas un contour défini pour calculer la taille de défaut. Pour pouvoir estimer la taille d’un défaut, de ce type, toute la zone E de Figure 4.5 a été prise en compte comme contour du défaut en englobant la retassure cavité et les micro-retassures distribuées. Une estimation de ce type est plus grossière par rapport à celle que l’on peut faire sur une retassure isolée, mais permet d’avoir une indication sur la taille globale de défaut en termes de AIRE^1/2. Dans le cas de l’éprouvette 51-3 on obtient une valeur plutôt élevée d’environ 6409 µm.

A

B

A – rupture ductile B – retassure cavité C – micro-retassure

D – zone de propagation stable liée à la retassure cavité

E – zone de coalescence des micro-fissures autour des micro-retassures

D

E

 Retassures de type cavité grade 4 (RC 4)

Le cas des retassures de type cavité avec un grade de nocivité 4 (RC 4) ne diffère pas beaucoup par rapport au cas observé pour les RC 3. Effectivement le scénario d’amorçage et propagation est le même de celui proposé en Figure 4.5.

La Figure 4.6 montre les surfaces de rupture de l’éprouvette 62-1 (RC4), dans ce cas la zone de coalescence des microfissures avec la fissure principale est de taille plus élevée (environ 7438 µm) et occupe la presque totalité de la surface utile de l’éprouvette. Les micro-retassures s’étendent jusqu’à la surface libre en formant des zones de propagation stable comme montrée par les zones E et F de Figure 4.6c et Figure 4.6d respectivement, mais localement la morphologie des microretassures est toujours lié à la microstructure dendritique.

(a) (b)

(c) (d)

Figure 4.6 : (a) Faciès de rupture de l’éprouvette 62-1 qualifiée RC 4 sous chargement uniaxial à R = 0.1, σamp = 40 MPa, N = 1.16∙10⁵ cycles, taille globale du défaut AIRE^1/2 = 7438 µm, (b) cliché radiographique du brut de fonderie (avant usinage) dans la zone utile, (c-d) grossissements des zones E et F qui montrent des amas de porosité débouchant en surface et des zones de propagation stable (stade II)