Fatigue d'un alliage d'aluminium moulé A357-T6 : rôle de la morphologie, de la position des défauts et application à une structure pour le calcul de la durée de vie en fatigue

High Cycle Fatigue of A357-T6 Cast Aluminium Alloy : Role of the Defect Morphology, Position and, Fatigue Life Assesment of a Structural Component

• Auteur / Autrice : Antonio Rotella
• Direction : Yves Nadot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 05/10/2017
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Groupe Safran
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Président / Présidente : Habibou Maitournam
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Limodin, Jérôme Panter
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Franck Morel, Jean-Yves Buffière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages -- Fatigue

Microtomographie

Métaux -- Défauts

Éléments finis, Méthode des

Durée de vie (ingénierie)

Contraintes (mécanique)

Aluminium -- Fonderie

Aluminium -- Alliages

Moulage (fonderie)

Mots clés libres

Cartographie de la taille admissible de défaut

Diagramme de Kitagawa-Takahashi

Critical defect size mapping

Kitagawa-Takahashi diagram

Résumé

Ces travaux de thèse concernent la caractérisation en fatigue à grand nombre de cycles de l’alliage d’aluminium moulé A357-T6 (AS7G06-T6) en présence de défauts de type retassure. Six coulées ont été produites pour étudier deux familles de défauts : les retassures de type cavité et les retassures de type spongieuse avec un grade de nocivité qui varie entre 2 et 4 (selon la norme ASTM E 2422). La limite de fatigue en traction positive (R = 0.1) a été estimée en fonction de chaque type de défaut pour N = 2∙106 cycles. Des essais ont été également menés sur des éprouvettes dégradées en surface avec un défaut artificiel. Le défaut artificiel est caractérisé par une variation très localisée de la morphologie (usinage au FIB et par EDM) représentative de la microporosité interdendritique. La morphologie locale et globale des défauts naturels est étudiée grâce à des simulations numériques aux éléments finis. Les calculs numériques sont conduits sur la géométrie réelle d’un pore reconstruite à partir d’un scan en μ-CT. Deux géométries équivalentes ont été proposées pour approximer la morphologie d’un défaut naturel : une sphère et un ellipsoïde équivalent d’inertie.L’effet de la position du défaut sur l’évolution des champs mécaniques a été également étudié en conduisant des simulations numériques aux éléments finis sur la géométrie réelle du pore. Deux approches ont été proposés pour simuler un diagramme de type Kitagawa-Takahashi: (i) la Mécanique de la Rupture en Élasticité Linéaire (LEFM) (ii) un critère de fatigue detype Defect Stress Gradient (DSG), les deux modèles ont été testés dans le cas d’un amorçage sur un défaut de surface et interne.Une campagne d’essais de fatigue (R = 0.1) a été conduite à l’échelle d’un composant industriel. Une pièce réalisée par fonderie en A357-T6 a été testée dans une configuration saine et dégradée avec des défauts artificiels de surface. Un critère de type DSG, qui prend en compte l’effet du gradient de contrainte à l’échelle macroscopique de la structure, a été proposé.Le modèle a été validé par un calcul aux éléments finis du composant en utilisant une routine de post traitement des données, qui affiche en sortie la cartographie de la taille admissible du défaut de surface en chaque point du modèle simulé.

The purpose of this work is to characterize the high cycle fatigue strength of the A357-T6 (AS7G06-T6) cast aluminum alloy affected by natural casting defects (shrinkages). Six different castings have been manufactured in order to study two shrinkage types: the cavity shrinkages and the sponge shrinkages with a defect grade ranging from 2 to 4 (as defined by the ASTM E2422 standard). High cycle fatigue tests have been carried out in order to estimate the fatigue limit under positive tensile loading (R = 0.1) for each defect type at N = 2∙106 cycles. The effect of the local defect morphology has been investigated performing several fatigue tests on specimens with artificial surface defects characterized by a local morphology modification (FIB and EDM machining). The artificial defect size and morphology is representative of the natural interdendritic porosity. The local and global defect morphology of the natural defects have been studied by means of finite element simulations conducted on the real shrinkage morphology reconstructed from a μ-CT scan. Two equivalent geometries have been proposed to simplify the natural defect morphology: a sphere and an inertia - equivalent ellipsoid.The effect of the defect position on the mechanical filed evolution has also been studied by means of finite element simulations performed on the real defect geometry. The analysis of the Kitagawa-Takahashi diagram has been performedby using two different approaches for both internal and surface defects: (i) the Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM)(ii) the Defect Stress Gradient (DSG) fatigue criterion. An experimental campaign has been performed at a component scale. A casted A357-T6structural component has been tested with two different configurations: as received and degraded with artificial surface defects. A DSG fatigue criterion,taking into account the effect of the stress gradient at the macroscopic scale of the component, has been proposed. The model has been validated by means of finite element simulations using a data post-processing sub-routine that gives as output the critical defect size map at each point of the simulated model.