Identification des mécanismes de fissuration dans un alliage d'aluminium sollicité en fretting et en fatigue

Identification of the cracking mecanisms in an aluminium alloy under fretting and fatigue loadings

• Auteur / Autrice : Henry Proudhon
• Direction : Jean-Yves Buffière, Siegfried Fouvry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallographie

Microscopie

Matériaux -- Fissuration

Aluminium -- Alliages

Matériaux -- Fatigue

Résumé

L'allègement des structures est aujourd'hui un problème central dans l'industrie aéronautique. Une des solution envisagée est de mieux maîtriser le dimensionnement, notamment en fatigue, pour les composants de fuselage et de voilure. Dans de tels composants, les zones d'assemblage mécanique (rivets, boulons) constituent des zones à risque du fait des concentrations de contraintes qui y existent. Plus précisément, le contact entre les pièces peut induire un phénomène de fretting et conduire à l'amorçage précoce de fissures. Parallèlement la présence du trou peut considérablement accélerer la propagation d'une telle fissure et mettre en danger l'integrité de la structure. Le but de cette thèse est d'identifier les mécanismes mis en jeu dans l'amorçage et la propagation d'une fissure au sein d'un assemblage mécanique. Le matériau étudié est un alliage d'aluminium 2024. Des essais de fretting ont été réalisés afin de caractériser avec précision le seuil d'amorçage des fissures ainsi que leur longueur maximale à partir de paramètres de chargement macroscopiques. D'autre part, des essais de fatigue sur éprouvettes trouées ont été menés à bien dans le but de déterminer les lois de propagation des fissures en présence de concentration de contraintes. L'utilisation de la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) et de la microtomographie X a permis de mettre en évidence un effet important de la microstructure sur l'amorçage et la propagation des fissures. Parallèlement, un modèle de propagation des fissures de fatigue reposant sur la cristallographie locale en avant du front a été développé. Ce modèle reproduit fidèlement les intéractions tri-dimensionnelles des fissures avec la microstructure et permet d'étudier l'influence de la cristallographie du matériau sur la dispersion des nombres de cycles à rupture.

Weight saving is a key issue in the aerospace industry. One way to tackle this problem is to improve the design against fatigue in components like the fuselage or the wings. Within those components, mechanical fasteners (bolts, rivets) appears as critical parts because of the stress concentrations which prevail in those regions of the structure. More precisely, the contact between parts can induce fretting damage, resulting in the nucleation of microcracks. In the meantime, the presence of a hole hole acting as a stress concentrator may accelerate the propagation of such microcracks and jeopardize the structure integrity. The aim of this thesis is to identify the mechanisms leading to crack nucleation and propagation in a mechanical assembly. The material studied is a 2024 damage tolerant aluminim alloy. Fretting tests have been carried out in order to quantify the crack nucleation conditions and to determine the maximum crack length obtained by fretting as a function of macroscopic loading parameters. Fatigue tests have also been performed on notched samples (central hole) to characterise the crack propagation laws in the vicinity of a stress riser. Thanks to back scattered electron diffraction (EBSD) and X ray microtomography, the impact of the microstructure on both crack nucleation and propagation was shown. A cristallography based crack propagation model was established in order to simulate fatigue failure for various kinds of samples. This model which makes use of the experimentally established propagation mechanisms is able to reproduce the 3D interaction of the cracks with the surrounding microstructure. It also gives indication on the influence of crystallography on the scatter of fatigue lives.