Vers une prise en compte du vieillissement thermique dans la filière de dimensionnement des structures pour la fatigue thermomécanique

Consideration of high temperature in-service aging into the thermo-mechanical fatigue structure sizing of cast Aluminum alloys engine parts

• Auteur / Autrice : François-Xavier Hoche
• Direction : Luc Rémy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 27/01/2016
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Eric Hug
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Rémy, Alain Hazotte, Loic Nazé, Alain Köster, Pierre Osmond
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patricia Donnadieu, Patrick Villechaise

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoélasticité

Durcissement par vieillissement

Fatigue thermique

Microscopie électronique en transmission

Détérioration

Aluminium -- Alliages

Mots clés libres

Alliages d'aluminium

Microstructure

Vieillissement

Aluminium Alloys

Microstructure

In-service aging

Résumé

Les culasses de moteur diesel PSA sont réalisées en alliages d'aluminium de fonderie durcis par précipitation. La culasse atteint une température stable lors de l'utilisation du véhicule mais la succession de démarrages et d'arrêts engendre un phénomène de fatigue thermique au niveau du pontet inter-soupapes. L'exposition à des températures élevées modifie la microstructure de précipitation provoquant une diminution des propriétés mécaniques et donc un vieillissement de l'alliage. Il est donc nécessaire de prendre en compte le vieillissement thermique dans le dimensionnement. Pour y parvenir, nous avons d'abord analysé la microstructure de précipitation (nature des phases précipitées, morphologie et taille) en Microscopie Electronique en Transmission (MET) et le comportement cyclique viscoplastique pour différents vieillissement isothermes. Des essais thermomécaniques anisothermes, simulant le chargement en service, ont été réalisés afin d'analyser les relations entre la déformation plastique et la précipitation. Les paramètres géométriques de la précipitation ont été déterminés en MET pour différents nombres de cales thermomécaniques et ont été comparés à ceux de la précipitation résultant de l'exposition de l'alliage au seul cycle thermique pendant le même nombre de cycles.La microdureté étant un bon indicateur du vieillissement des alliages d'aluminium durcis par précipitation, des modèles d'évolution de microdureté ont été développés afin de simuler sa décroissance dans la structure lors d'un essai représentatif des conditions en service. Ces simulations permettent d'améliorer l'estimation du vieillissement de ces alliages lors de l'utilisation de la culasse.

Cylinder heads of automotive engines are produced by casting of precipitation strengthened Al-Si alloys.The cylinder head quickly reaches a steady state temperature but the succession of starts and stops generates thermomechanical fatigue in the area between the valve seats. At service temperature, the precipitation microstructures evolve from their state after precipitation hardening heat treatment to an aged state, which results in the reduction of their mechanical properties. The increase of thermomechanical stresses in new engines requires taking thermal aging into account for sizing. To that end, the precipitation microstructures (precipitates crystal structures, composition, morphology, and distribution) have been analyzed by Transmission Electron Microscopy (TEM) for various aging conditions and the corresponding cyclic least-viscoplastic behavior has been determined. The effect of plastic deformation on the kinetics of precipitate growth has been studied throughout loadings representative of engine operation. The morphological characteristics of the precipitation microstructure resulting from the thermomechanical aging were determined by TEM for different numbers of cycles and compared with those resulting from the mere thermal aging in order to assess the effect of plastic deformation on the kinetics of precipitate growth. As micro hardness is a good indicator of the aging of precipitation strengthened aluminium alloys, micro hardness evolution models have been developed to calculate its decrease in the cylinder head during a test simulating in service conditions. The simulations give us a better understanding of the in-service aging of these alloys.