Etude de la fissuration en plasticité généralisée

Crack growth modeling during gross plasticity

• Auteur / Autrice : Auréliane Heudt
• Direction : Luc Rémy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 06/12/2013
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Gardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Rémy, Alain Köster, Franck Morel, Vincent Maurel, Serge Kruch, Loïc Debeugny
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Charkaluk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fissuration

Nickel -- Alliages

Plasticité

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Superalliage base nickel

Propagation de fissure par fatigue

Comportement élasto-viscoplastique

Plasticité généralisée

Nickel-base superalloy

Fatigue crack growth

Elasto-viscoplastic behavior

Large scale yielding

Résumé

L'objectif de cette étude est de modéliser la croissance de fissures pour des structures minces sollicitées en conditions cycliques anisothermes conduisant à une plasticité étendue. La méthodologie a été mise au point sur des éprouvettes permettant des sollicitations uni-axiales de traction compression pour simuler les conditions de chargement sur structures. Les géométries d'éprouvettes retenues permettant d'éviter le flambement ont donc été usinées dans des barres, de microstructure proche de celle des composants. Dans un premier temps, il a été nécessaire de déterminer le comportement cyclique du superalliage à base de nickel Haynes 230 dans une large gamme de températures, de l'ambiante à 900°C, et de vitesses de déformation. Un modèle de comportement élasto-visco-plastique unifié, à écrouissage cinématique non linéaire, a été identifié en utilisant un potentiel de type Sellars-Teggart, afin de décrire l'effet de vitesse de déformation. Ce modèle permet de décrire de façon raisonnable le comportement en fatigue anisotherme. Des essais de propagation en plasticité généralisée ont été conduits sur éprouvettes de type SEN en déformation imposée, en traction compression uni-axiale, à 900°C. Les essais ont été faits soit en contrôlant le déplacement sur le ligament restant, du côté opposé à l'entaille, soit en contrôlant le déplacement du côté de l'entaille, c'est-à-dire l'ouverture de la fissure. Les essais conduisent ainsi à une augmentation de la vitesse ou à une diminution de celle-ci selon le mode de pilotage. Des essais à haute fréquence en contrôle de charge ont également été conduits en plasticité confinée. Un modèle macroscopique a été proposé pour décrire la vitesse de fissuration en fonction des conditions macroscopiques imposées à l'éprouvette, ou en fonction des conditions locales selon la longueur de fissure. Ce modèle a également été testé sous forme de post-processeur de calculs par éléments finis. Une démarche d’identification en calcul de structure a été proposée et validée pour différents cas de chargement incluant propagation de la fissure et chargement biaxial.

This study aims to model fatigue crack propagation in a study case simulating an aerospace engine component. The considered material is the nickel-based alloy Haynes 230. Operating conditionsinclude a wide range of temperature, strong thermal gradient and high mechanical cycling frequency. The subsequent strong strain gradient yields to crack propagation under gross plasticity conditions. The temperature conditions induce high amount of viscosity. Thus, a visco-plastic kinematic and isotropic hardening model was chosen and identified through isothermal tests conducted in the range of 25°C to 900°C. The strain rate sensitivity was modelled using a Sellars-Tegart flow rules. The chosen model was satisfying in describing anisothermal fatigue tests. Strain controlled crack tests were conducted on Single Edge Notched (SEN) specimen at 900°C. Tests were performed using a wide frequency range (from 10-2 Hz up to 25Hz), with several loading ratios. Two tests configurations were analysed. Firstly, the strain was applied in front of the notch, in order to keep the crack opening displacement (CTOD) constant. This testconfiguration leads to crack initiation under large scale yielding condition and a decrease of the effective load leads to small scale yielding when cracks are long. For the second configuration, the strain was applied at the opposite of the notch leading to large scale yielding from initiation to final failure. The relevance of crack growth models is tested on this experimental database. The chosen model is based on the partition of the energy into plastic distortion energy and elastic opening energy, in order to describe separately elasticity and plasticity contributions. This fatigue crack growth model was succesfully identified at a macroscopic scale - the length scale of the specimen. Finally, the same model was identified for post-processing computation and validated on experimental fatigue crack growth data. This last step was perfomed for explicit crack growth modelling and biaxial crack growth results.