2 Matériau, méthodes expérimentales et tenue en fatigue de l’alliage de référence
3.3 Résultats des essais de fatigue
Comme déjà remarqué dans la section précédente et montré dans la Figure 3.5b les fissures critiques détectées par ressuage sont apparues toujours au même endroit (zone A) indépendamment de la coulée. La Figure 3.6 montre les résultats des essais de fatigue, une distinction a été faite entre l’amorçage et la rupture des composants (selon les critères adoptés).
Figure 3.6 : Résultats des essais de fatigue conduits sur les composants, chaque couleur indique un chargement, chaque symbole indique un composant différent, le site d’amorçage macroscopique est le même pour tous les composants (zone A en Figure 3.5a)
Les points qui définissent l’amorçage d’une fissure de fatigue correspondent aux fissures d’environ 2 mm identifiées en surface par ressuage pendant l’essai. Globalement la durée de vie des structures semble être pilotée plutôt par la propagation, étant donné que les fissures amorcent en moyenne autour d’environ 20% de la durée de vie de la pièce et que les 80% restants de durée de vie correspondent à la partie liée à la propagation des fissures. En termes de durée de vie, la coulée dégradée semble avoir une résistance légèrement plus élevée par rapport à la coulée saine. Ce résultat plutôt surprenant (étant donné la présence des défauts naturels dans la coulée dégradé) nous a amené à des analyses complémentaires de la microstructure des deux coulées dans la zone d’amorçage pour vérifier une éventuelle variation de la SDAS dans la coulée dégradée à cause des artifices thermiques utilisés pour introduire les défauts naturels.
(a) (b)
Figure 3.7 : Microstructure de l’alliage A357-T6 dans la zone d’amorçage macroscopique A (observation en microscopie optique d’une coupe polie avec une suspension à la silice colloïdale 0.04 µm), (a) coulée saine, (b) coulée dégradée
Une micrographie des deux prélèvements de matière dans la zone A d’amorçage macroscopique est montrée en Figure 3.7. La SDAS mesurée est proche entre les deux configurations, 36 µm ± 6 µm pour le matériau de la coulée saine et 33 µm ± 2 µm pour le matériau de la coulée dégradée. La microstructure ne semble pas être à la source de cette faible variation sur la tenue en fatigue des couvercles de la coulée dégradée.
3.3.1 Analyse fractographique des surfaces de rupture
Une analyse des faciès de rupture a été conduite également afin d’identifier la nature de l’amorçage des fissures critiques dans la zone A et pour vérifier la présence ou non de défauts à l’origine de l’amorçage. Aucune différence n’a été remarquée entre les surfaces de rupture d’un composant de la coulée saine (Figure 3.7a) et de la coulée dégradée (Figure 3.7b).
En ce qui concerne le composant issu de la coulée saine, la fissure de fatigue s’est propagée sur deux plans différents (Figure 3.8d) en accord avec les constatations faites avec le contrôle par ressuage (Figure 3.5b). Aucun défaut de type retassure ou porosité
3.8c) montre un défaut qui, en type et morphologie, semble être plutôt un oxyde de type “old” comme décrit dans les travaux de Wang et al. [Wang et al. 2006] qui fait une taille d’environ 800 µm. La présence de cet oxyde ne semble pas jouer un rôle prédominant dans l’amorçage de la fissure critique, qui d’ailleurs ne semble pas avoir eu comme origine ce point spécifique. L’amorçage de la fissure de fatigue semble plutôt directement liée à la matrice d’aluminium comme c’est souvent le cas pour un matériau qui ne présente pas d’autres concentrateurs de contraintes comme les défauts [Wang et al. 2006]. En ce qui concerne les surfaces de rupture de la coulée dégradée (Figure 3.9), le scenario n’est pas différent par rapport à tout ce qu’a été observé pour la coulée saine. Dans la zone E (Figure 3.9b) il y a la présence d’un défaut similaire à un oxyde de type “old” qui fait une taille d’environ 613 µm. Toujours dans la zone E il y a présence d’un défaut débouchant en surface semblable à un défaut de “type oxyde”, probablement causé pas une piqûre (taille d’environ 198 µm) qui est un défaut typique dans la fonderie coulé en sable [Campbell 2003], le défaut semble avoir agi comme concentrateur de contraintes pour donner naissance localement à une microfissure. Globalement dans la zone A d’amorçage macroscopique, les faciès de rupture n’indiquent pas la présence de défauts naturels de type retassure à l’origine de l’amorçage des fissures de fatigue. Ce scénario est le même pour les composants des deux coulées (saine et dégradée), et ceci démontre que la durée de vie de ces composants dégradés n’est pas du tout affectée par la présence des défauts naturels introduits pendant le moulage (selon les conditions de chargement imposées).
(a)
(b) (c) (d)
Figure 3.8 : Surfaces de rupture d’un composant de la coulée saine dans la zone A d’amorçage macroscopique (Fmax = 6kN, Ni = 1.5∙106 cycles, Nf = 7.46∙105 cycles)
(a)
(b) (c) (d)
Après ces vérifications (microstructure et surfaces de rupture), on peut finalement considérer la coulée dégradé “similaire” à la coulée saine vis-à-vis de la durée de vie en fatigue pour ces conditions de chargement. La faible variation sur la durée de vie, observée pour les composants issus de la coulée dégradée, est, de toute façon, faible et peut se confondre avec la dispersion naturelle des résultats de fatigue.
3.3.2 Synthèse des essais de fatigue sur les couvercles en A357-T6
Des essais de fatigue ont été conduits sur des couvercles en A357-T6 issus d’un carter de transmission de puissance d’un turboréacteur. Une coulée saine et une coulée dégradée ont été testées. Les résultats nous amènent aux conclusions suivantes :
1. Les deux coulées testées (saines et dégradées) ne présentent pas de différences en termes de microstructure (SDAS) dans la zone d’amorçage, l’amorçage macroscopique des fissures se produit toujours au même endroit (zone A), donc vis-à-vis de la durée de vie en fatigue et pour les conditions de chargement testées, les deux coulées sont considérées identiques.
2. Aucun défaut de type retassure ne se trouve à l’origine de l’amorçage des fissures de fatigue pour les deux coulées, l’amorçage se produit principalement à plusieurs endroits sur des défauts de “type oxyde” de taille inférieure à 800 µm, sur des piqûres de petite taille (environ 200 µm) ou dans la matrice d’aluminium. 3. La durée de vie des composants testés (pour les conditions limites imposées)
comporte une phase de propagation importante (80% de la durée de vie en propagation pour une fissure de taille initiale ai = 1mm ; durée de vie totale de 7.46∙105 cycles).