Figure II.10: Exemple de dépouillement des analyses de tomographie haute résolution - Fonction Zproject-MIN d’ImageJ permettant de visualiser le front de fissure - La zone fissurée apparaît en noir - La direction de sollicitation est selon l’axe X.
II.2 Essais mécaniques
II.2.1 Fatigue sur éprouvette
• Machine et échantillons : Les essais de fatigue ont été réalisés sur des éprouvettes d’une épaisseur avant brasage de 270μm à section variable, induisant ainsi une localisation préférentielle
Chapitre II. Techniques Expérimentales
de l’endommagement. La figure II.11-a renseigne sur la géométrie de ces éprouvettes.
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Figure II.11: a) Géométrie des éprouvettes pour les essais de fatigue (échelle en mm) - b) Dispositif expérimental mis en place pour les essais de fatigue sur éprouvette.
Les essais ont été réalisés à l’INSA de Lyon sur une machine INSTRON 8516 sur laquelle une cellule de force de 5kN a été adaptée. Munie d’un mors inférieur hydraulique et d’un mors supérieur manuel, cette machine permet d’appliquer des efforts uniaxiaux à une fréquence maximale de 10Hz avec un rapport de charge R = σmin/σmaxquelconque (figure II.11-b). Quelle que soit la configuration matériau étudiée, toutes les éprouvettes de fatigue ont été usinées suivant un protocole identique et ce, dans un souci de reproductibilité. En voici les principales étapes, une fois les tôles laminées à l’épaisseur finale de 270 μm :
• Création de formats13 de 250x70 mm2 en moyenne, orientés dans le sens de laminage. Chaque format permettra au final l’obtention d’une éprouvette de fatigue.
• Brasage des formats suivant le protocole décrit dans le chapitre I.3.3.b. A noter tout de même que, pour l’étape de fluxage, le choix a été fait d’opter pour une application du flux par paintfluxage14 et non par immersion en solution aqueuse. Le four de brasage utilisé permet le brasage simultané d’une vingtaine de formats afin d’optimiser la reproductibilité du procédé thermique.
• Usinage des éprouvettes de fatigue par électro-érosion. Du fait de l’utilisation de formats, le sens long des éprouvettes ainsi obtenues correspond systématiquement au sens de laminage des tôles.
• Protocole expérimental : Dans le cadre de cette étude, l’intégralité des essais de fatigue a été réalisée en contrôle de force à R=0,1 à une fréquence de 10Hz (chargement sinusoïdal). Un
13. Nom donné aux morceaux de tôles de forme rectangulaire obtenus par massicotage avant brasage. 14. Application du flux par projection à l’aide d’une buse.
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rapport de charge positif permet d’éviter tout flambement des éprouvettes de fatigue. De plus, afin d’éviter l’application d’une surcharge trop importante par rapport à la contrainte maximale souhaitée, le choix a été fait d’appliquer une montée en charge progressive suivant une rampe linéaire d’une durée ΔT de 30s, équivalente à 300 cycles (figure II.12). Ces cycles, réalisés à une contrainte inférieure à la contrainte maximale, seront systématiquement déduits des va-leurs finales du nombre de cycles à fissuration ou à rupture reportées dans la suite de cette étude. Le procédé de brasage induisant des variations locales d’épaisseurs parfois importantes (en moyenne respectivement de 18,5% et 25% pour les CM0 et CM1), une épaisseur moyenne des éprouvettes a été déterminée à partir de cinq mesures d’épaisseurs réalisées aléatoirement à l’aide d’un palmer à bout rond (diamètre de 6,35mm).
σ
t
σ
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ΔTFigure II.12: Représentation schématique de la variation de contrainte de cyclage a) en début d’essai (ΔT=30s, 300 cycles) - b) en régime stable
Dans ces travaux, tous les essais de fatigue n’ont pas été menés à rupture complète de l’éprou-vette. Certains essais de fatigue ont été arrêtés avant rupture afin de permettre l’observation des fissures lors de leur propagation. L’arrêt des fissures est obtenue en imposant une limite de déplacement sur le mors inférieur de la machine de fatigue (entre 30 et 150 μm selon les essais).
II.2.2 Fatigue sur configuration tube/collecteur
Afin d’étudier l’influence du design et de la géométrie des échangeurs sur la durée de vie, un dispositif expérimental de fatigue permettant la sollicitation mécanique d’éprouvettes directe-ment issues des échangeurs thermiques a été mis au point. La zone de brasage tube/collecteur
Chapitre II. Techniques Expérimentales
qui est le siège privilégié de l’endommagement en service a ainsi été étudiée.
• Machine et échantillons : Les essais de fatigue ont été réalisés sur des éprouvettes de type tube/collecteur directement prélevées sur des radiateurs de refroidissement neufs issus des chaînes de production Valeo. La figure II.13 illustre la géométrie des éprouvettes utilisées dans le cadre de cette étude. Le principe de l’essai consiste à appliquer un effort de traction uniaxial au collecteur alors que le tube reste fixe. Toutefois la géométrie complexe de la partie collecteur se prête assez mal au serrage dans un mors pinçant classique. Aussi, une pièce d’adaptation a été conçue. La partie collecteur de l’échantillon est rendue solidaire du mors via un métal à bas point de fusion contenu dans la pièce d’adaptation préalablement évidée, elle-même serrée par le mors de fatigue (figure II.14).
Figure II.13: Vue de tomographie 3D d’une éprouvette de fatigue de type tube/collecteur brasée
Cette pièce a été pensée de manière à pouvoir s’adapter à tout type d’éprouvettes de fatigue et permettre ainsi l’étude de n’importe quelle géométrie d’échangeur thermique. Le métal à bas point de fusion utilisée est le métal de Wood [66], composé à 50% de Bi, 25% de Pb, 12,5% de Sn et 12,5% de Cd. Du fait de sa faible température de liquidus (72°C), un simple chauffage à l’aide d’une source de chaleur de type décapeur thermique permet d’obtenir la fusion et le positionnement de l’éprouvette de fatigue dans la pièce d’adaptation. Le refroidissement est obtenu par circulation d’eau directement dans la pièce en question.
La partie supérieure des éprouvettes est maintenue par pincement du tube dans lequel est insérée une cale afin d’éviter l’écrasement lors du serrage du mors.
L’éprouvette comprend la base de deux tubes qui jouxtent le tube à solliciter (figure II.13) ceci afin d’augmenter la surface mouillée par le métal liquide et permettre ainsi une meilleure accroche. Pour la même raison, l’intérieur de l’évidement de la pièce d’adaptation a été volontairement usiné avec un état de surface rugueux.
• Protocole expérimental : Les conditions de cyclage des éprouvettes tube/collecteur sont les mêmes que celles employées lors des essais sur éprouvettes simples.
Chapitre II. Techniques Expérimentales & ! ( ( " ! ' &
Figure II.14: a) Vue simplifiée de la pièce d’adaptation permettant la sollicitation en fatigue d’éprouvettes à géométrie complexe - b) Montage complet en condition de chargement pour une éprouvette de fatigue de type tube/collecteur.