Synthèse du Chapitre 3

Une analyse complète, en fatigue à grand nombre de cycles, a été conduite sur un composant coulé en utilisant l’alliage d’aluminium de fonderie A357-T6. L’analyse a été menée en plusieurs étapes pour analyser en détail les différents effets influençant la durée de vie de la pièce.

Dans la première étape de l’étude, deux coulées (saine et dégradée avec défauts naturels) ont été testées en fatigue sur un banc conçu pour réaliser les essais directement à l’échelle du composant complet. Globalement, il a été identifié que la rupture des composants se produit toujours dans une zone macroscopique spécifique, définie comme “Zone A”, et que à l’origine de l’amorçage il n’y a pas de défauts naturels de type retassure, mais plutôt des inclusions de type oxyde “old”. La microstructure des deux coulées a été analysée et donne une SDAS très proche (comprise entre 33 µm ± 2 µm et 36 µm ± 6 µm). Les résultats des essais de fatigue et de l’analyse microstructurale ont permis de conclure que les deux coulées peuvent se considérer égales vis-à-vis de la durée de vie en fatigue pour le type de chargement appliqué, étant donné que les défauts naturels de la coulée dégradée n’ont activé aucun mécanisme d’amorçage macroscopique. Une analyse en micro-tomographie RX 3D a été conduite sur deux prélèvements issus d’un composant de la coulée dégradée. Les défauts naturels ont été caractérisés en termes de type et taille (exprimée sous forme de VOLUME^1/3). Pour les deux prélèvements on trouve que le défaut principale est de type retassure cavité ou spongieuse et que la taille est d’environ 8 mm. Aucune fissure n’a été détectée autour des défauts naturels (pour une taille de voxel de 35 µm).

Globalement la durée de vie de ces composants (pour les conditions de chargement et d’inspection utilisées) comporte une phase de propagation importante (80% de la durée de vie en propagation pour une fissure de taille initiale ai = 1 mm et une durée de vie totale de 7.46∙10⁵ cycles).

Un modèle aux éléments finis du composant a été réalisé pour modéliser la durée de vie en utilisant un critère de fatigue multiaxiale. Un critère de fatigue à l’amorçage basé sur la contrainte équivalente de Crossland a été proposé pour modéliser la durée de vie des composants en absence de défauts (on ne considère pas les défauts naturels étant donné que n’ont pas amorcé des fissures). Le critère proposé prend en considération le gradient de contrainte à l’échelle macroscopique du composant avec une fonction linéaire. Les simulations conduites ont montré que le critère proposé s’adapte bien aux résultats expérimentaux (erreur moyenne absolue en contrainte de l’ordre de 15%) et que l’effet du gradient macroscopique à l’échelle du composant a un impact majeur sur la modélisation de la durée de vie à l’amorçage de la pièce.

Une deuxième conclusion peut se faire sur l’effet de l’état de surface de la pièce (en termes de rugosité). Ce paramètre ne semble pas influencer la durée de vie de la pièce (à iso SDAS et iso défauts), si on considère un impact mineur des contraintes résiduelles sur la pièce après traitement thermique T6 (non vérifié expérimentalement).

Une analyse de l’état de contraintes, dans les zones où les défauts naturels de type retassure ont été identifiés en tomographie, a été également conduite. Les zones analysées apparaissent déchargées (contrainte équivalente de Crossland inférieure à 20 MPa) et ceci

peut justifier la condition de non amorçage des fissures de fatigue sur les défauts naturels (même de taille importante).

Des essais de fatigue ont été également conduits sur trois composants dégradés en surface avec des défauts artificiels (17 défauts de forme presque sphérique) usinés par électroérosion. Les résultats des essais de fatigue ont été comparés avec des simulations numériques conduites sur le modèle aux éléments finis du composant où un critère de type DSG a été appliqué (en utilisant une routine un post-traitement des données de type UVARM). La routine de post-traitement utilisée permet d’avoir une cartographie de la taille critique de défaut directement sur la surface du composant. Le critère DSG a été appliqué en utilisant deux identifications différentes (sans et avec prise en compte de l’effet du gradient macroscopique à l’échelle du composant). Dans le deuxième cas la prise en compte du gradient est intégrée dans l’identification du paramètre (a_∇,def) en utilisant un gradient moyen de la pièce. Les résultats ont montrés que le critère DSG sans prise en compte de l’effet du gradient de contrainte macroscopique est plus conservatif et sur les 17 défauts testés donne une erreur plus élevée (environ 41%) par rapport au critère DSG avec prise en compte du gradient macroscopique du composant (erreur moyenne d’environ 30%) qui, cependant, dans un cas n’as pas été conservatif. Une analyse du gradient de contrainte a été conduite dans les zones de la pièce où les défauts ont été introduits, il en résulte une distribution du gradient de contrainte plutôt variée (gradient de contrainte normé sur la contrainte de Crossland maximale qui varie entre 0.2 et 0.86). La simplification utilisée pour estimer l’effet du gradient réduit les étapes de calcul mais, dans un cas où la variation des gradients au niveau de la structure est trop complexe, risque d’être une approche trop simplifiée, même si d’un point de vue qualitatif elle identifie bien les zones critiques du composant.

Une extension du critère DSG a été proposée pour prendre en compte l’effet du gradient de contrainte macroscopique en chaque point de la structure. Pour faire ça, la contrainte en entrée du modèle DSG est évaluée à une distance (dans l’épaisseur de la pièce) égale à la taille de défaut. Ce modèle permet d’estimer les zones critiques de la pièce pour une taille de défaut fixée. Cependant une procédure itérative serait nécessaire pour avoir une cartographie complète pour plusieurs tailles de défaut. L’évaluation de l’état de contrainte autour du défaut est faite en utilisant le modèle analytique d’Eshelby en considérant un chargement non homogène, ce qui engendre une erreur dans l’évaluation de l’état de contrainte autour du défaut. L’erreur commise a été évaluée en traction uniaxiale en considérant un défaut sphérique (de rayon r2 = 0.1 mm). Entre la solution analytique et une solution obtenue aux éléments finis, l’écart sur la contrainte dans la direction du chargement (dans ce cas σxx) est autour de 28%. Une correction de la contrainte non homogène a été proposée en appliquant comme chargement en entrée du modèle d’Eshelby, la contrainte évaluée dans l’épaisseur à une distance égale à la taille de défaut. L’écart sur la contrainte autour du défaut dans la direction du chargement (σxx) est réduit à environ 0.74%. Néanmoins ce résultat est valide en traction uniaxiale, une analyse plus détaillée serait nécessaire pour vérifier d’autres cas de chargement. Globalement une évaluation du gradient de contrainte en chaque point du composant, semble être une solution plus adaptée d’un point de vue de la modélisation de la durée de vie d’un composant complet.

Cependant le modèle proposé est dépendant du choix du type de gradient ainsi que de la direction de calcul. L’application d’autres méthodes n’est pas à négliger, étant donné que le gradient de contrainte capte des phénomènes très locaux. Des méthodes basées, par exemple, sur une approche de type volumique, sont envisageables pour permettre d’avoir un paramètre moins influencé par la contrainte locale. Ces critères peuvent s’associer (quand la base des données du matériau de référence est suffisamment large) à des approches probabilistes qui permettent d’avoir la probabilité de rupture en chaque point de la structure et au même temps de pouvoir prendre en considération plusieurs mécanismes d’amorçage en compétition entre eux (cf. paragraphe 1.4.3).

Impact de la morphologie des défauts sur

la limite de fatigue

Ce chapitre est dédié à l’analyse de la morphologie des défauts naturels de type retassure, et de leur impact sur la limite de fatigue de l’alliage A357-T6. Deux types de défauts seront analysés : les retassures de type cavité (RC) et les retassures de type spongieuse (RS). Des éprouvettes avec défauts artificiels ont été également analysées. Sur ces éprouvettes une variation locale de la morphologie du défaut a été apportée en utilisant deux procédés d’usinage différents : l’électroérosion par enfonçage (EDM) et la Sonde Ionique Focalisée (FIB). Les défauts de type retassure ont été aussi caractérisés en µ-CT. Une reconstruction 3D des retassures de type cavité a été conduite pour obtenir la géométrie 3D et étudier les champs mécaniques autour des retassures par éléments finis. Enfin la morphologie globale des retassures a été comparée avec deux géométries équivalentes simplifiées : une sphère et un ellipsoïde.

Sommaire

4.1 Essais de fatigue à grand nombre de cycles (matériau avec défauts naturels / artificiels) ... 156