Moyens expérimentaux

Dans ce paragraphe les différents moyens expérimentaux utilisés pour produire les essais de fatigue sur les composants aéronautiques seront détaillés. Deux coulées différentes seront présentées ainsi que le banc de fatigue utilisé pour conduire les essais expérimentaux. Les deux critères adoptés pour identifier l’amorçage des fissures et l’arrêt de l’essai de fatigue seront enfin détaillés.

3.2.1 Définition des coulées

Le composant utilisé comme démonstrateur pour l’analyse en fatigue et pour la modélisation de la durée de vie à l’amorçage est montré en Figure 3.1a. Il s’agit d’un couvercle obtenu par fonderie et coulé en sable par gravité qui fait partie des composants qui composent un carter de transmission que l’on peut trouver sur un turboréacteur. Pour les essais de fatigue, deux coulées différentes ont été produites et ont été classées dans deux catégories selon les résultats du contrôle non destructif (CND) utilisé pour définir l’état de la pièce :

 Coulée saine – conforme en CND

Toutes les pièces produites ont subi une étape de contrôle classique basé sur les critères standard utilisés pour cette catégorie de composants (ressuage et rayons X) [ASTM E1417 / E1417M-16 2016; ASTM E155-15 2015]. En ce qui concerne la coulée définie comme saine, les pièces produites dans ce lot ont été classées comme conformes par le CND. Les pièces qui appartiennent à la coulée définie comme dégradée, par contre, n’ont pas passé l’étape de contrôle non destructif (indications au ressuage et aux rayons X hors critère). Ceci est dû à la présence de défauts naturels de grandes dimensions introduits volontairement dans les coulées en modifiant le système de masselottage et de refroidissement. La Figure 3.1b montre une image obtenue par tomographie RX 3D de deux pièces issues des deux lots de coulée. En ce qui concerne la pièce non conforme en CND (Figure 3.1c) on peut remarquer la présence de défauts internes de type retassure (comme indiqué par les flèches) qui confirment les indications obtenues avec les CND classiques (ressuage et rayons X).

(a)

(b) (c)

Figure 3.1 : (a) Composant utilisé pour la campagne expérimentale, (b) image tomographique d’un composant qualifié comme conforme issu de la coulée saine, (c) image tomographique d’un composant qualifié comme non conforme issu de la coulée dégradée

3.2.2 Banc expérimental et conditions d’essai

Les essais de fatigue ont été conduits sur un banc d’essai conçu spécifiquement pour ce composant au CRITT-MATERIAUX de Rochefort. Le banc d’essai est montré en Figure 3.2a, il se compose d’un vérin hydraulique asservi en effort avec une capacité maximale d’environ 25 kN qui permet l’exécution des essais de fatigue à une fréquence maximale de 2 Hz pour la structure testée. Un système de contrôle du déplacement de la pièce au point d’application du chargement est réalisé à l’aide d’un capteur de déplacement de type LVDT (Linear Variable Differential Transformer) montré en Figure 3.2b. Le montage de la pièce sur le banc est assuré par la présence de 22 vis autour de la pièce comme montré en Figure 3.2c. La direction de l’effort est indiquée en Figure 3.1a par la flèche bleu.

La conception du banc, du montage utilisé pour appliquer l’effort et le type de chargement ont été définis au préalable pendant le projet ANR-IDEFFAAR. Le chargement appliqué sur la pièce n’est pas lié aux efforts subi par la pièce en service mais il a été choisi pour des raisons différentes. Le premier objectif était de favoriser la rupture de la pièce dans des zones avec surface brute de fonderie et éviter des amorçages dans des zones usinées où dans le système de montage de la pièce. Le choix de ce type de chargement a été principalement guidé par la possibilité de faire varier, dans les zones sollicitées, la population des défauts naturels en dégradant la coulée comme montré en Figure 3.1c.

(a)

(b) (c)

Figure 3.2 : (a) Banc d’essai utilisé pour produire les essais de fatigue sur les composants, (b) capteur de déplacement LVDT, (c) système de vissage utilisé pour bloquer la pièce sur le banc de fatigue

Un schéma du montage utilisé pour appliquer l’effort sur la pièce est montré en Figure 3.3. Le montage est réalisé en acier pour permettre de transmettre l’effort à la pièce de façon quasi-rigide. Il se compose de deux parties, un arbre qui est vissé directement sur la pièce avec 6 vis (deux vis principales M10 et M8 et 4 vis de renforcement M5) et une chape qui et vissée sur l’arbre et sur laquelle l’effort est appliqué avec le vérin hydraulique en utilisant un embout à rotule. Le banc d’essais a été optimisé pendant une première phase de test, où l’ajout de 4 vis de renforcement (Figure 3.3b) s’est révélé nécessaire à cause d’une rupture systématique dans le filetage d’une des deux vis principales.

(a) (b)

Figure 3.3 : (a) Montage utilisé pour appliquer le chargement sur les couvercles en A357-T6, (b) système de vissage utilisé pour fixer l’arbre au couvercle

Tous les essais de fatigue ont été conduits à température ambiante (pas de contrôle de la température pendant l’essai) avec un rapport de charge R = 0.1 et une fréquence de 2 Hz. Pour tous les essais un critère d’arrêt, basé sur l’amplitude de déplacement acquise avec le capteur LVDT, a été fixé. Si la raideur du composant est modifiée à cause de la présence d’une fissure de fatigue, normalement cela correspond à une évolution de l’amplitude de déplacement mesurée dans le point d’application de la force (Figure 3.4a). Dans notre cas, lorsque la fissure débouche au point C (Figure 3.4b) cela correspond à une variation brusque de l’amplitude de déplacement comme montré en Figure 3.4a et cette condition comporte l’arrêt de l’essai. Si aucune variation n’est détectée l’essai de fatigue est arrêté à la réalisation de 10⁶ cycles.

(a) (b)

Figure 3.4 : (a) Diagramme de l’amplitude de déformation au cours de l’essai obtenu dans le point d’application du chargement avec le capteur LVDT (la zone C indique la fin de l’essai), (b) fissure critique débouchant sur un coin du composant qui génère une variation brusque de l’amplitude de déplacement

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

0E+00 2E+04 4E+04 6E+04 8E+04 1E+05 Amplitude de déplacement (mm)

Nombre de cycles à rupture

Afin d’avoir un suivi de l’endommagement macroscopique de la structure, un contrôle complet de la pièce par ressuage est réalisé à des intervalles réguliers (tous les 10⁴ cycles). Un critère d’amorçage macroscopique a été défini à la détection d’une fissure d’environ 2 mm de longueur sur la surface de la pièce testée (Figure 3.5a).

(a) (b)

Figure 3.5 : (a) Site d’amorçage macroscopique identifié par ressuage, (b) fissures de fatigue observées pendant une inspection par ressuage au cours d’un essai de fatigue (environ 80% de la durée de vie)

Pendant les essais de fatigue conduits sur les composants (de toutes les coulées) nous avons identifié toujours le même site d’amorçage macroscopique, indiqué comme zone A dans la Figure 3.5a. Seulement dans un cas, une fissure secondaire est apparue à un endroit différent défini comme zone B (Figure 3.5b).