Propagation des fissures de fatigue

La vie en amorçage est normalement estimée en utilisant les contraintes ou la déformation locale et les courbes de fatigue du métal en question. La vie en propagation est normalement estimée en suivant la théorie de la mécanique de rupture et en considérant la variation du facteur d’intensité de contraintes. En présence de contraintes résiduelles, il est nécessaire de déterminer la variation efficace du facteur d’intensité de contraintes (Glinka 1987).

La température élevée et la déformation sévère durant le SFM génèrent des contraintes résiduelles élevées. Typiquement, la tolérance aux dommages des joints soudés soumis à des chargements en fatigue peut être affectée par la présence des contraintes résiduelles. Bussu et Irving (2003) ont étudié la propagation de fissures de fatigue longitudinales et transversales des joints SFM en AA2024-T351 de 6,35 mm d’épaisseur en utilisant des échantillons fissurés sur la surface en-dessous du joint à différentes distances par rapport au centre et des échantillons standards de type «compact tension (CT)» . Les résultats des essais sur les échantillons avec fissures transversales à l’endos du joint (figure 2-46) montrent que la vitesse de propagation de fissures la plus élevée correspond à la fissure dans la zone thermiquement affectée qui se trouvant à 11 mm du milieu du joint (figure 2-47). Cette réduction de la résistance à la propagation est liée à la présence de contraintes résiduelles en tension dans la direction longitudinale du joint. Par contre, les essais de propagation des fissures longitudinales montrent que la vitesse de propagation la plus élevée correspond à la fissure qui se trouve à 28 mm du joint et le taux le plus bas correspond à la fissure qui se situe à 6 mm du joint (figure 2-48). Cette différence de taux de propagation des fissures longitudinales est disparue après que les échantillons ont été soumis à

une charge qui a causé une déformation plastique de 2 %. Ainsi, cette différence est liée à la présence de contraintes résiduelles en compression dans la direction transversale dans la zone du joint.

Figure 2-46: Échantillon en AA2024-T351 avec des fissures à l’endos de l’échantillon utilisé, pour les essais de fatigue effectués par Bussu and Irving (2003).

Figure 2-47: Propagation de fissures transversales au joint SFM en AA2024-T351 de 6,35 mm d’épaisseur (Bussu and Irving 2003).

Figure 2-48: Propagation de fissures longitudinales au joint SFM en AA2024-T351 de 6,35 mm d’épaisseur (Bussu and Irving 2003).

Fratini, Pasta et al. (2009) rapportent que l’introduction d’une déformation plastique de 2 % parallèlement au joint a ramené la vitesse de propagation au même niveau que celui du métal de base. Les contraintes résiduelles résultantes de 2 % de déformation plastique n’ont pas changé la dureté. Ainsi, la vitesse de propagation serait principalement liée à la distribution des contraintes résiduelles.

Jata, Sankaran et al. (2000) ont étudié la propagation de fissures longitudinales proches du seuil de propagation dans le noyau et dans la ZAT des joints SFM en AA7050-T7451 (figure 2-49 a). Les résultats présentés à la figure 2-49 b montrent qu’à R = 0,33, les seuils de propagation dans le métal de base, la ZAT et le noyau sont de 1,83, 3,24 et 1,04 respectivement. La même figure montre que le seuil est pratiquement le même pour les trois positions à un rapport R = 0,7.

Cependant, Pouget et Reynolds (2008) considèrent que la variation effective du facteur d’intensité de contraintes n’explique pas à elle seule la différence de la vitesse de propagation dans le joint. Le comportement de la fissure serait aussi influencé par la présence d’oxydes dans le joint et par la présence des sillons laissés par l’outil sur la surface.

(b)

Figure 2-49: Configuration des échantillons (a) et résultats des essais de propagation de fissure proche du seuil de propagation (b) d’un joint SFM en AA7050-T7451 de 6,35 mm d’épaisseur (Jata, Sankaran et al. 2000).

Le taux de propagation des fissures de fatigue dépend du rapport R (contrainte minimale /contrainte maximale). La présence des contraintes résiduelles dans la zone du joint modifie le rapport R. Lombard, Hattingh et al. (2009) rapportent que, dans la direction longitudinale, les contraintes résiduelles sont en tension. Elles sont de +75 MPa dans le noyau et de +100 MPa dans la ZAT. Dans la direction transversale, les contraintes résiduelles sont aussi en tension. Elles sont de +30 MPa dans le noyau et de +40 MPa dans la ZAT (figure 2-26). Ainsi, les contraintes

(a) Propagation dans la ZAT

résiduelles devraient influencer davantage la propagation des fissures de fatigue dans la direction transversale que dans la direction longitudinale. Par contre, les essais de propagation des fissures de fatigue effectués par Bussu et Irving (2003) montrent que les taux de propagation dans le noyau, la ZAT et le métal de base en AA2024-T351 varient davantage dans la direction longitudinale que dans la direction transversale (figure 2-47 et figure 2-48). De plus, ils rapportent que le seuil de propagation des fissures de fatigue longitudinale dans la ZAT est environ 10 MPa m1/2 _{comparativement à 5 MPa m}1/2 _{dans le métal de base.}

Jata, Sankaran et al. (2000) rapportent aussi que le seuil de propagation des fissures de fatigue longitudinales dans la ZAT d’un joint SFM en AA7050-T7451 est de 3,24 MPa m1/2

comparativement à 1,83 MPa m1/2 _{dans le métal de base, et ce, malgré le fait que les contraintes}

résiduelles dans la direction transversale soient en tension dans la ZAT (figure 2-28). Il faut également noter que les matériaux utilisés dans les études de Bussu et Irving (2003) et Jata, Sankaran et al. (2000) sont des alliages d’aluminium à durcissement structural. La dureté dans la ZAT, la limite d’élasticité et la résistance à la traction sont inférieures à celles du métal de base. Jata, Sankaran et al. (2000) ont conclu que cette augmentation du seuil de propagation dans la ZAT est due au relâchement des contraintes résiduelles dans la direction longitudinale. Bussu et Irving (2003) rapportent que l’introduction d’une déformation plastique de 2 % dans la direction longitudinale réduit la différence entre les taux de propagation des fissures de fatigue transversales dans le noyau, la ZAT et le métal de base. Cependant, le seuil de propagation dans le joint est demeuré supérieur à celui du métal de base.

2.7

Parachèvement des joints soudés et amélioration de la résistance en