Les essais mis en place sont multi-instrumentés pour déterminer au mieux l’amor-çage et la phase de propagation des fissures à partir d’un défaut fabriqué et caractérisé : — deux caméras équipées d’objectifs télécentriques G 1 pour un post-traitement
via CIN ;
— un suiveur de fissure électrique par différence de potentiel ; — des analyses post-mortem.
Chaque moyen de mesure permet de déterminer les sites d’amorçage par : — une augmentation des déformations locales pour la CIN ;
— une variation de la tension mesurée correspondant à une décohésion de la ma-tière en pointe de défaut pour le suivi par différence de potentiel ;
— un aspect de surface propre à l’amorçage sur les analyses post-mortem du faciès de rupture des éprouvettes (figure 4.18(c)).
puis des informations sur la propagation de la fissure pour un nombre de cycles donné : — une analyse des champs de déformations par la CIN ;
— une variation de la tension mesurée et donc une propagation de la fissure entre les deux électrodes pour le suivi par différence de potentiel ;
— un aspect de surface propre à la propagation sur les analyses post-mortem du faciès de rupture (figure 4.18(b)).
Pour SAFRAN Landing Systems, le nombre de cycles à rupture des éprouvettes est le critère retenu pour caractériser la durée de vie de l’alliage Ti5553. Ce critère de te-nue en fatigue d’un matériau est retenu pour la majorité des tests de caractérisation en fatigue des matériaux car c’est une information simple à obtenir [Bathias et al., 1980]. Pour étudier le comportement en fatigue de l’alliage Ti5553 SAFRAN Landing Systems utilise des éprouvettes de fatigue de diamètre 8 mm. Les éprouvettes de fatigue sont lisses/polies. Cette géométrie extrêmement contrôlée limite au maximum les concen-trations locales de contraintes. La rugosité de l’éprouvette est fine (Ra = 0,4 µm) pour limiter l’amorçage sur des défauts surfaciques.
Les résultats de tenue en fatigue obtenus pour l’alliage Ti5553 et utilisés pour le di-mensionnement en fatigue des jambes de trains d’atterrissage et des tiges coulissantes sont retranscrits sur le diagramme de Wöhler grâce à une courbe moyenne (la courbe bleue de la figure 4.13). Cette courbe possède une représentation statistique de la rup-ture des éprouvettes de fatigue axiales lisses. Dans le cas présent elle correspond à une probabilité de rupture de 50%. Cette courbe constitue une limite haute pour tous les résultats qui seront obtenus dans ce travail. En effet, elle représente la durée de vie en fatigue du matériau Ti5553 (via les éprouvettes de fatigue) et non celle de pièces réelles qui présentent des géométries variées et des défauts de surface. L’alliage consti-tuant les pièces en service et a fortiori les éprouvettes KBR testées ici possèdent les mêmes caractéristiques de fatigue intrinsèques au matériau. Pour modéliser correcte-ment le comportecorrecte-ment en fatigue de pièces réelles, il faut ajouter à ce comportecorrecte-ment l’influence des défauts de fabrication (forgeage, usinage, grenaillage) qui induisent des changements de microstructure et des points de fragilité du matériau en surface et
en volume ainsi que l’influence des géométries complexes des pièces en services et des éprouvettes KBR qui provoquent des concentrations de contraintes (coins, congés, etc.) et qui fragilisent les pièces. Tous ces facteurs impactent la durée de vie en fatigue de la pièce et dégradent les performances mécaniques en comparaison des éprou-vettes de fatigue lisses/polies. Pour le dimensionnement des structures en service il est donc insuffisant de se baser uniquement sur les résultats de fatigue du matériau.
Pour dimensionner les pièces qui volent, les bureaux d’études de SAFRAN Landing Systems se basent sur la courbe de conception ou P-S-N (en rouge sur la figure 4.13). Cette courbe est déduite de la courbe de fatigue après correction d’un coefficient de sécurité. Le coefficient de sécurité correspond à une translation de −3σ (3 fois l’écart type des points constituant la courbe de fatigue) sous la courbe de fatigue. Une marge classique pour dimensionner les structures dans l’aéronautique [Bathias et al., 1980] qui correspond à une probabilité de survie de 10−3. La marge de sécurité associée au coefficient compense la méconnaissance de tous les paramètres influençant la durée de vie des pièces en fatigue : les défauts de fabrication, les concentrations locales de contraintes dans des zones mal connues, les traitements mécaniques (e.g., grenaillage) dont l’influence varie en fonction des zones de la pièce (face, coin), ...
FIGURE4.13 – Tracés des courbes de Wöhler de l’alliage de titane Ti1023 (dont le
com-portement est très proche de l’alliage Ti5553) en bleu et courbe de conception associée en rouge. Ces deux courbes correspondent à une probabilité de survie respective de 0,5 et 10−3
conservatives. Lorsque l’on veut optimiser le dimensionnement des pièces en limitant la masse et le coût des structures il est nécessaire de comprendre l’origine des variabili-tés. Les essais réalisés dans ce travail apportent des réponses expérimentales à la tenue en fatigue de pièces à géométrie complexe grenaillées telle que l’on peut les trouver en service. On comparera les résultats de tenue en fatigue des éprouvettes testées avec la courbe de conception. L’objectif est d’enrichir la courbe de conception pour montrer les points forts et les limites d’une telle méthode de dimensionnement. L’objectif est de déterminer les situations où l’utilisation de cette courbe est suffisante de celles où une connaissance plus poussée est nécessaire.
Expérimentalement, on place les données obtenues lors des essais sur le même graphique de Wöhler que la figure 4.13 pour comparer les données de fatigue et de conception de l’alliage de titane avec les résultats d’essais. Les points expérimentaux placés sur le graphique sont les points de rupture des éprouvettes KBR. La rupture de l’éprouvette est le premier critère adopté pour la tenue en fatigue des éprouvettes KBR. On enrichira ensuite le dépouillement des essais grâce aux différents moyens de me-sure mis en oeuvre lors des essais (CIN et suiveur de fisme-sure). Ils permettent d’optimiser la détection des amorçages de fissure et d’étudier les phases de propagation pour dif-férents types de défaut.
Pour réaliser les essais de tenue en fatigue des éprouvettes KBR, le montage de la figure 4.14 a été mis en place. Il permet de réaliser des tests cycliques pour des rapports de charge Rσ= 0,1 pilotés en effort avec des contraintes maximales atteignant 0.67 u.a.. La machine de traction est limitée en fréquence, à une dizaine de Hertz pour les faibles chargements (0.27 u.a.) ou à 5 Hz pour les chargements plus importants. Cette limite est due à la capacité de la servovalve.
On voit sur la figure 4.14 le montage des caméras Manta 2 G. Elles sont au nombre de deux sur les essais et permettent d’observer des zones de 9×9 mm par l’intermé-diaire d’un objectif télécentrique G 1. Elles permettent l’observation de deux faces sur une section de la zone utile (celle sur laquelle des défauts ont été réalisés). Les caméras sont particulièrement adaptées pour les essais sur des éprouvettes multidéfaut (pré-sentant plusieurs défauts) car la mesure de champ rend possible l’étude de plusieurs défauts simultanément.
FIGURE4.14 – Montage d’essai pour les éprouvettes KBR
La figure 4.15(a) est le modèle CAO de l’expérience. Cette maquette numérique per-met de pré visualiser dans l’espace la bonne mise en place des différents composants de l’essai. La figure 4.15(b) présente une éprouvette KBR avec un défaut artificiel dans un coin. La figure 4.15(c) est l’image virtuelle obtenue en se plaçant au niveau d’une des caméras équipant l’essai.
(a) (b) (c)
FIGURE4.15 – (a) Maquette CAO du montage d’essai des éprouvettes KBR. (b)
Eprou-vette avec un défaut dans un coin. (c) Image virtuelle d’une des caméras visant l’éprou-vette
La figure 4.16 illustre l’instrumentation des éprouvettes KBR avec un suivi de po-tentiel électrique de part et d’autre du défaut fabriqué. Les différences de popo-tentiel mesurées (figure 4.27) évoluent avec la propagation du front de fissure au cours des cycles. L’arrivée de courant de puissance se situe au niveau des têtes des éprouvettes par l’intermédiaire de colliers qui assurent un bon contact électrique entre les câbles et l’éprouvette. Cela stabilise et améliore les mesures. La fixation du câble de mesure n’est pas réalisé classiquement avec des points de soudure [Doremus et al., 2015] mais avec un collage par cosse électrique et laque d’argent. Cette technique permet d’assu-rer le maintien du contact électrique (avec plus ou moins de succès) au cours de l’essai sans endommager l’éprouvette.
FIGURE4.16 – Montage du suiveur de fissure sur les éprouvettes KBR