Caractérisation et modélisation tridimensionnelles de la propagation de fissures de fatigue dans les alliages d'aluminium modèles

Three dimensional characterisation and modeling of fatigue crack propagation in models aluminium alloys

• Auteur / Autrice : Emilie Ferrié
• Direction : Jean-Yves Buffière, Wolfgang Ludwig
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Modélisation tridimensionnelle

Microtomographie

Aluminium -- Alliages

Matériaux -- Fatigue

Résumé

Une approche utilisée la propagation des fissures de fatigue dans les alliages métalliques consiste à établir des lois de propagation c’est-à-dire, à corréler la vitesse de propagation de la fissure à l’amplitude de la variation du facteur d’intensité des contraintes (DK). Compte tenu de la difficulté expérimentale qu’implique la caractérisation des fissures en volume, ces lois sont le plus souvent établies à partir d’observations de surface. Nous proposons d’adopter une démarche différente qui consiste à prendre en compte l’aspect 3D de la propagation. Dans ce but, nous avons utilisé la micrographie X par rayonnement synchrotron pour visualiser in situ la forme 3D des fissures à différents stades de leur propagation dans deux alliages d’aluminium modèles. La méthode des Eléments Finis Etendus nous a permis de calculer les valeurs des facteurs K sans faire d’hypothèse de forme mais en prenant en compte la forme 3D réelle des fissures extraites des images tomographiques. Cette approche a été appliquée au cas des fissures microstructurellement courtes dont la forme très irrégulière a été corrélée à la forme 3D des joints de grains révélés par la technique du mouillage au Gallium. Pour ces fissures, la connaissance des valeurs de réelles de K n’est pas suffisante pour prédire l’évolution de leur forme en volume, montrant ainsi les limites d’une approche géométrique / élastique. Les fissures microstructurellement longues, dont la forme en volume est très régulière, se caractérisent par une forte anisotrope de propagation sont en bon accord avec les données expérimentales

One approach frequently used to study fatigue crack propagation in metallic alloys is to correlate the fatigue crack growth rate to the stress intensity factor range (DK). Considering the difficulty to investigate crack propagation in the bulk, laws are, most of the time, deduced from surface measurement. In the work presented here, we propose to focus on the behaviour of part through cracks lake and to into account their 3D aspect: X-ray microtomography is used to visualised in situ the evolution of the 3D shape of cracks in the bulk of aluminium sample. The extended finite element method has been especially developed to calculate mixed mode stress intensity factors taking into account the real shape of cracks extracted from the tomography image. This approach has been used to characterise bath microstructurally short and microstructurallly long cracks whose behaviour is completely different. For the first ones, crack shape irregularities have been observed in the bulk and correlated to the 3D shape of the grains revealed by liquid gallium. The cracks shape irregularities induce strong variations of the stress intensity factor calculated along the crack front. For the second ones, the cracks have a very regular shape and can be approximated by a semi-ellipse. The strong anisotropy observe between surface and bulk is simulated thanks to a 3D fatigue crack propagation law that takes into account the variation of the closure stress along the crack front.