Evolution de la limite de fatigue en fonction de la taille de défaut (diagramme de type

Les résultats des essais de fatigue à grand nombre de cycles conduits sur les éprouvettes avec défauts naturels ont montré que globalement pour deux types de défauts naturels (retassure cavité et spongieuse) et pour deux grades de nocivité (grade 2 / 3) l’impact sur la limite de fatigue est presque identique. Cet effet a été constaté aussi sur des éprouvettes avec défauts artificiels où une variation très localisée (peu impactante sur la taille globale du défaut) de la morphologie du défaut n’a pas influencé la limite de fatigue de l’alliage. En ce qui concerne les défauts naturels, l’analyse de la taille a été conduite sur le faciès de rupture en calculant le paramètre proposé par Murakami [Murakami 2002] et défini comme AIRE^1/2. Ce paramètre est relativement simple à estimer pour un défaut isolé qui est caractérisé par un contour bien défini, cependant son identification est plus dure à faire dans le cas d’un défaut de type oxyde ou quand l’éprouvette est affectée par de la porosité distribuée de type spongieuse. L’influence de la taille de défaut sur la limite de fatigue peut s’exprimer en utilisant un diagramme de type Kitagawa-Takahashi [Kitagawa et al. 1976]. Les diagrammes de ce type sont caractérisés par une taille critique à partir de laquelle la limite de fatigue diminue. Si on approche le problème d’un point de vue déterministe, au-dessous de cette taille critique la limite de fatigue n’est pas affectée par la taille des pores et l’amorçage est plutôt piloté par les différentes hétérogénéités microstructurales. Pour une taille de défaut supérieure à la valeur critique, on identifie une réduction de la limite de fatigue du matériau. Si on approche le problème d’un point de vue probabiliste, à partir de la taille critique on augmente la probabilité d’amorcer une fissure sur un défaut, plutôt que par un effet de microstructure. Pour les analyses de cette étude une approche de type déterministe a été choisie, car les données à disposition n‘ont pas permis de définir une distribution statistique des résultats. Cependant il est reconnu qu’une taille critique qui définit un seuil unique n’existe pas et qu’il faut toujours considérer une zone de transition entre un amorçage causé par un effet microstructural et un amorçage causé par la présence d’un défaut.

La Figure 4.23 montre le diagramme de Kitagawa-Takahashi construit à partir des résultats obtenus sur les éprouvettes avec défauts naturels et artificiels qui ont amorcé une fissure en surface. On peut remarquer que l’amorçage s’est produit sur plusieurs types de défauts naturels et artificiels pour lesquels l’analyse sera conduite séparément.

Figure 4.23 : Diagramme de Kitagawa-Takahashi qui montre l’influence de la taille des défauts (estimée sur les faciès de rupture au MEB) sur la limite de fatigue de l’alliage A357-T6 (amorçage en surface), la limite de fatigue est exprimée en amplitude de contrainte

 Amorçage sur un défaut naturel en surface

Dans le diagramme de la Figure 4.23, on peut constater que pour les défauts naturels de surface, et principalement pour les éprouvettes classées comme RC 2 (triangles rouges sur le diagramme), la limite de fatigue de l’alliage A357-T6 a tendance à décroître avec l’augmentation de la taille de défaut. L’effet de la taille de défaut est clairement observable pour des tailles comprises entre 400 µm et 2 mm où il y a un nombre suffisant de points produits sur des éprouvettes avec la même identification en CND et un amorçage sur un défaut du même type. Au-delà de 2 mm l’estimation de la taille est plus compliquée (comme détaillé dans les paragraphes 4.1.1 et 4.1.2) étant donné que la rupture des éprouvettes est causée par une action synergique de plusieurs défauts de type microretassure et le contour choisi pour estimer la taille englobe toute la surface affectée par les microretassures. Cette estimation comporte une zone d’agglomération des points entre 5 mm et 8 mm sur le diagramme. Ces points se réfèrent aux RC 3/4 et aux RS 2/3, dans cette zone on constate une saturation de la limite de fatigue en fonction de la taille de défaut. Il existe cependant une différence entre la limite de fatigue estimée pour les RC 4 (15 MPa) qui est inférieure à celle des RC 3 et RS 2/3 (35 MPa) à iso taille de défaut. Ce qui montre que pour pouvoir capter l’effet de la taille sur ces typologies de retassure il faut chercher une autre méthode de mesure. Parmi les résultats présentés dans le diagramme de Figure 4.23 il y a des points produits sur éprouvettes classées en CND comme RC 1, ces éprouvettes (3 en tous) ont été testées pour chercher à isoler un défaut naturel vers l’intérieur de l’éprouvette pour favoriser un amorçage interne (ces résultats seront discutées dans le Chapitre 5). Cependant une de ces éprouvettes a amorcé une fissure critique sur un défaut de surface dont les mécanismes ne diffèrent pas par rapport à ce qui a été déjà montré pour les éprouvettes de type RC 2. Le point indiqué comme RC 1 (triangle bleu) se situe dans la

zone d’évolution des points RC 2. Dans cette famille de défauts on trouve aussi des défauts naturels de type retassure cavité (sans classement CND) qui ont amorcé une fissure de fatigue critique sur des éprouvettes avec défaut artificiel (losanges bleu entourées en rouge). Ces points se trouvent dans le même domaine de variation que les retassures de type RC 2.

 Amorçage sur un défaut de type oxyde en surface

Les résultats des essais de fatigue conduits sur des éprouvettes classées comme saines (grade < 1) où avec défauts naturels / artificiels, mais qui ont amorcé une fissure critique sur un film d’oxyde en surface ont été tracés sur le diagramme de Kitagawa-Takahashi de Figure 4.23 (cercles mauve). L’effet des défauts de type oxyde n’est pas strictement lié à la taille (pour des tailles inférieures à 1 mm). La distribution des points se trouve dans le même domaine que les défauts naturels de surface de type RC 1/2 et globalement les oxydes semblent se comporter comme un défaut naturel de type retassure étant donné qu’il n’y a pas un écart marqué sur la limite de fatigue à même taille de défaut. L’effet des oxydes semble plus marqué en absence de défauts de type retassure de taille égale ou supérieure, étant donné qu’aucun oxyde n’a amorcé une fissure de surface critique sur les éprouvettes avec désignation RC / RS 2 ou supérieure.

 Amorçage sur un défaut de type porosité gazeuse / oxyde sur éprouvettes avec surface brute de fonderie

Des essais de fatigue ont été également conduits sur des éprouvettes avec surface brute de fonderie (cf. paragraphe 2.3.3). Les résultats ont montré que ces éprouvettes, même si classées comme saines (grade < 1), ont systématiquement amorcé des fissures sur des films d’oxyde ou sur des pores d’origine gazeuse liés à la présence des oxydes dans la coulée. Ces points sont indiqués sur le diagramme de la Figure 4.23 comme des cercles mauves entourés en noir. Dans ce cas on remarque une dispersion en termes de taille. Effectivement pour une limite de fatigue proche (environ 47 MPa en moyenne) on trouve que la taille de défaut varie entre 500 µm et 1.2 mm. Ces points se trouvent dans la même zone de variation que celle obtenue pour les éprouvettes classées comme RC 1/2 mais il n’y a pas un effet de taille considérable dans ce domaine de variation. Il est important de remarquer que pour ces éprouvettes il y a d’autres effets à prendre en compte dans l’analyse. L’état de surface, même s’il n’a pas un impact majeur sur la limite de fatigue, apporte toujours un élément d’incertitude. Effectivement les éprouvettes avec un état de surface brut de fonderie sont caractérisées par des défauts de type porosité / oxyde ce qui fait qu’il n’est pas possible de séparer l’effet des défauts de l’effet de l’état de surface (contraintes résiduelles et rugosité).  Amorçage sur un défaut artificiel en surface

Pour les défauts artificiels, la taille est plutôt constante étant donné que les différentes comparaisons sur l’effet de la morphologie locale ont été conduites à isotaille. Les points qui correspondent aux éprouvettes avec défaut artificiel se distinguent en deux familles. Les points indiqués par des losanges bleues se réfèrent aux défauts usinées par EDM (sans et avec modification locale de la morphologie). Les losanges bleus claire se réfèrent aux défauts avec une modification locale de la morphologie faite au FIB. Globalement tous les

points se trouvent autour d’une limite de fatigue moyenne d’environ 53 MPa. Tous les résultats obtenus sur défauts artificiel se trouvent dans la dispersion des points obtenus sur défaut naturel pour une plage de taille de défaut comprise entre 600 µm et 750 µm.

Globalement on constate que le diagramme de la Figure 4.23 se compose de trois zones différentes en fonction de la taille de défaut. On peut constater qu’effectivement déjà à partir d’une taille d’environ 300 µm – 400 µm la limite de fatigue de l’alliage A357-T6 (environ 69 MPa pour l’alliage dit de référence) commence à se dégrader. Si on intègre les résultats de fatigue de la base de données du projet ANR-IDEFFAAR [IDEFFAAR 2014] obtenus sur éprouvettes avec défauts naturels et défauts artificiels on peut constater que la tendance suivie par ces points est la même que celle constatée pour les résultats des essais conduits dans cette étude (Figure 4.24). Une taille critique de défaut (taille à partir de laquelle la limite de fatigue commence à décroitre) peut s’identifier autour de 300 µm.

Figure 4.24 : Diagramme de Kitagawa-Takahashi global qui montre l’influence de la taille des défauts (estimée sur les faciès de rupture au MEB) sur la limite de fatigue de l’alliage A357-T6 (amorçage en surface), la limite de fatigue est exprimée en amplitude de contrainte

Dans la première zone (jusqu’à 300 µm), définie en bleue dans la Figure 4.25, on trouve que les points se réfèrent principalement à du matériau sain de référence (grade < 1) où la rupture est causée par des micro-retassures, par des défauts de type oxyde où pour des effets liés à la microstructure, par exemple l’amorçage sur une BGP en surface. Entre 300 µm et 2 mm (zone rouge sur le diagramme de Figure 4.25) on peut remarquer une réduction de la limite de fatigue avec l’augmentation de la taille de défaut. Ce résultat est confirmé par des essais conduits sur défaut naturel (de forme presque sphérique ou de type retassure) et par des essais conduits sur défaut artificiel. Dans cette zone, la limite de fatigue est clairement pilotée par la taille de défaut et la morphologie ne semble pas avoir un impact important sur la limite de fatigue. A partir d’une taille de défaut supérieure à 1 mm on

observe que le diagramme a tendance à saturer autour d’une limite de fatigue d’environ 30 MPa. A partir de 2 mm il y a une transition entre un amorçage sur un défaut unique artificiel ou de type retassure et l’amorçage multiple localisé au niveau d’un agglomérat de micro-retassures qui forment une retassure dite spongieuse (zone de transition rouge – verte de Figure 4.25). Au-delà de 2 mm on passe dans la troisième zone du diagramme de Kitagawa-Takahashi (zone verte - grise de Figure 4.25). Dans cette zone on identifie les défauts où la taille a été estimée en considérant la porosité distribuée sur la section utile comme un défaut unique. On remarque que même pour des tailles très élevées (supérieures à 5 mm) la limite de fatigue reste constante autour de 30 MPa. Un abattement plus marqué peut s’identifier pour les retassures de type RC 4 (limite de fatigue moyenne d’environ 15 MPa). Il faut bien remarquer que les essais ont été conduits sur des éprouvettes avec une section utile de diamètre égale à 10 mm et que globalement la taille équivalente de ces défauts dépasse largement la moitié de l’éprouvette. Cette condition commence à être limitante pour une analyse correcte de l’effet de la taille, car on affecte sensiblement la section résistante totale de l’éprouvette. Il est cependant important d’analyser ce type de défaut qui est très souvent rencontré dans les pièces en phase de control non destructif.

Figure 4.25 : Diagramme de Kitagawa-Takahashi global qui montre l’influence de la taille des défauts (estimée sur les faciès de rupture au MEB) sur la limite de fatigue de l’alliage A357-T6 (amorçage en surface) et le lien avec l’analyse CND sur les éprouvettes, la limite de fatigue est exprimée en amplitude de contrainte

4.1.5 Modélisation de la limite de fatigue à grand nombre de cycles en