1.2 Rôle des défauts et de la microstructure sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles des
1.2.4 Synthèse sur le rôle des défauts et de l’environnement sur la tenue en fatigue à grand
fonderie
L’analyse bibliographique a montré que plusieurs effets peuvent intervenir pour modifier la tenue en fatigue des alliages d’aluminium de fonderie dans une condition de fatigue à grand nombre de cycles. Ces effets sont liés principalement à des hétérogénéités au niveau de la microstructure du matériau, à la présence des défauts de fonderie, à l’état de surface et à l’environnement extérieur. Les travaux de la littérature qui ont été détaillés dans les sections précédentes ont montré que ces effets peuvent agir en synergie et une analyse de chaque effet pris séparément est complexe à réaliser. Ce problème se reflète principalement sur le couplage de trois paramètres : la SDAS, la taille de grain et la taille de défaut. Les résultats issus des différents travaux de littérature analysés peuvent se résumer comme il suit :
Effet de la microstructure
Deux paramètres caractérisent la microstructure d’un alliage d’aluminium de fonderie : la SDAS et la taille de grain. Ces deux paramètres microstructuraux sont normalement corrélés, et la SDAS semble avoir un effet prépondérant par rapport à la taille de grain sur la durée de vie en fatigue. L’effet de la microstructure et plus marqué en absence de défauts
sous cette condition l’amorçage d’une fissure de fatigue peut se produire sur une BGP sans un défaut sous-jacent. L’indication générale porte cependant à affirmer qu’une SDAS plus fine améliore la ténue en fatigue à grand nombre de cycles. En ce qui concerne le rôle des grains dans les alliages d’aluminium de fonderie, il n’y a pas un accord commun dans les différents travaux bibliographiques analysés. L’effet de la SDAS est moins important en présence de défauts mais peut, dans une moindre mesure par rapport aux pores, influencer la tenue en fatigue de l’alliage. D’autres concentrateurs de contrainte peuvent s’identifier dans les particules de Si ou sur les phases intermétalliques fragiles en absence de défauts. Effet de l’état de surface
L’effet de l’état de surface pour les alliages d’aluminium de fonderie n’est pas un sujet qui a été abordé systématiquement dans la littérature. Généralement l’état de surface brut de fonderie est lié au procédé de fabrication, cependant les pièces, après moulage, subissent une étape de sablage au corindon qui modifie l’état de surface finale du composant. Globalement pour un moulage au sable, l’effet de l’état de surface ne semble pas être un paramètre d’ordre majeur sur la durée de vie des alliages d’aluminium moulés. Toutefois l’effet de l’état de surface est à quantifier pour comprendre si ceci est seulement une fonction de la rugosité et/ou des contraintes résiduelles, ou si une surface brute de fonderie introduit d’autres éléments néfastes (comme des défauts) sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles.
Effet des défauts
Les défauts principaux qui engendrent l’amorçage d’une fissure de fatigue sur les alliages d’aluminium moulé sont les films d’oxyde et les retassures.
Les films d’oxyde agissent comme des concentrateurs de contrainte. En absence d’autres défauts ils sont une des causes principales de l’amorçage des fissures de fatigue et ils réduisent significativement la durée de vie de l’alliage par rapport à un alliage sans oxydes. L’effet des films d’oxyde est réduit en présence des pores.
Les pores et principalement les défauts de type retassure, ont un rôle important dans l’amorçage des fissures de fatigue dans un cas de chargement de traction uniaxiale. Ceci est principalement dû à la tortuosité ainsi qu’à la présence des particules d’eutectique dans les zones convexes des pores. Cependant une étude détaillée de l’effet de la morphologie d’un défaut pour une taille de défaut donnée, afin de quantifier l’impact de la tortuosité d’un défaut sur la tenue en fatigue d’alliages d’aluminium, n’est pas un sujet qui a été abordé de façon systématique dans la littérature. L’effet de la taille des pores sur le type de chargement appliqué est très clair en traction (réduction de la limite de fatigue et de la durée de vie avec l’augmentation de la taille du défaut), cet effet est moins marqué pour des chargements plus complexes type traction-torsion.
Effet de l’environnement
L’environnement extérieur influence le mécanisme et la vitesse de propagation des fissures pour les alliages d’aluminium de fonderie. Un environnement inerte, comme le vide, augmente la tenue en fatigue des alliages d’aluminium de fonderie en présence de défauts
de surface, qui est comparable à celle du matériau en absence de défauts (testé sous air). La propagation d’une fissure sous vide est identifiable sur les faciès de rupture, où la fissure propage en suivant un plan cristallographique favorablement orienté (typiquement les plans {111}). Cet effet a été remarqué aussi sous air mais dans des conditions environnementales particulières (air sec à 223 K), pour des faibles vitesses de fissuration (proches du seuil), en identifiant ce stade de propagation comme pseudo-stade I. Un effet d’environnement proche du vide a été remarqué dans le cas d’un amorçage en interne sur un pore. Cette condition (peu observée en fatigue à grand nombre de cycles) engendre une réduction de la vitesse de propagation, les faciès de rupture sont de type cristallographique et la tenue en fatigue est comparable au matériau sans défauts ou avec défauts de surface mais testé sous vide. Le constat d’un effet d’environnement a été bien documenté, mais à l’état actuel il n’y a pas une étude complète qui montre l’effet de la position du défaut par rapport à la surface libre. Un critère pour établir quand un défaut peut se considérer comme interne ou de surface devient nécessaire, étant donné que la position du défaut peut jouer un rôle fondamental sur la tenue en fatigue de l’alliage.
A partir de l’analyse bibliographique, quelques questions restent ouvertes :
1. Si on admet un effet de la taille du défaut sur la limite de fatigue des alliages d’aluminium de fonderie, quel est l’impact de la morphologie globale et locale d’un défaut ?
2. L’état de surface et principalement un état brut de fonderie a-t-il un impact remarquable sur la limite de fatigue des alliages d’aluminium moulé ? Est-ce qu’il engendre seulement des altérations au niveau de la rugosité de surface ou il introduit d’autres modifications comme par exemple des défauts liés à la peau de fonderie ? Est-ce que cet effet a le même impact sur une éprouvette et sur un composant complet ?
3. Est-ce qu’on peut définir un critère capable de définir la frontière entre un défaut interne et un défaut de surface en fonction de sa position ?